JP2016517684A - 停止部構造を有する圧電エネルギー回収器デバイス - Google Patents

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Abstract

本発明は、以下を備える、エネルギー回収器デバイスに関する：圧電材料を備え、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビーム；第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部；共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体；共振器ビームの第２の端部の少なくとも一部を包囲するパッケージ；塊体および／または共振器ビームの第２の端部に接続され、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成された停止部。また、電動装置に電力供給するシステム、方法、およびエネルギー回収器デバイスを製造する方法が開示される。

Description

本出願は、２０１３年３月１３日出願の米国仮特許出願第６１／７８０，２４７号に対する優先権の利益を主張するものであり、この出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
発明の分野
本発明は、カンチレバー停止部構造を有する圧電エネルギー回収器デバイス、当該デバイスを含むシステム、ならびに当該デバイスを使用および作製する方法に関する。
発明の背景
集積回路のサイズおよび電力消費の両方の削減は、無線技術の急増をもたらした。例えば、タブレット、スマートフォン、携帯電話、ラップトップコンピュータ、ＭＰ３プレーヤー、電話ヘッドセット、ヘッドフォン、ルータ、ゲームコントローラ、モバイルインターネットアダプタ、無線センサー、タイヤ圧センサーモニタ、タブレット、ＰＣ、および／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサー、家畜を監視するためのデバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、玩具等を含む、低電力無線回路を使用した多種多様なデバイスが存在する。これらのデバイスはそれぞれ、動作するために独立電源を必要とする。典型的には、これらのデバイス用の電源は電池であり、多くの場合交換式電池である。
高い関心の対象となる他の無線技術は、無線センサーおよび無線センサーネットワークである。そのようなネットワークにおいて、無線センサーは、特定の環境全体に分布し、測定データを中央ハブに伝えるアドホックネットワークを形成する。具体的な環境は、例えば、自動車、飛行機、工場、または建物を含む。無線センサーネットワークは、ある距離にわたりマルチホップ伝送を使用して動作する数千から数万の無線センサー「ノード」を含み得る。各無線ノードは、一般に、センサー、無線電子機器、および電源を含む。これらの無線センサーネットワークは、環境条件に応じて知的環境を形成するために使用され得る。
上述の他の無線デバイス等の無線センサーノードは、そのノードの電子機器を作動させるために独立電源を必要とする。リチウムイオン電池、亜鉛空気電池、リチウム電池、アルカリ電池、ニッケル水素電池、およびニッケルカドミウム電池等の従来の電池が使用され得る。しかしながら、無線センサーノードがそのような電池の典型的な寿命より長く機能することが有利となり得る。さらに、電池交換は、特に多くのノードを有するより大きなネットワークにおいては負担が大きくなり得る。
代替の独立電源は、周囲環境からエネルギーを捕集（または「回収」）することに依存する。例えば、電力駆動デバイスが十分な光に曝露される場合、好適な代替の独立電源は、光電池または太陽電池を含み得る。代替として、電力駆動デバイスが十分な空気の運動に曝露される場合、好適な代替の独立電源は、動く空気から電力を回収するためのタービンまたはマイクロタービンを含み得る。また、他の代替の独立電源は、温度変動、圧力変動、または他の環境の影響に基づくことができる。
いくつかの環境は、特定のデバイスに電力供給するのに十分な光の量、空気の運動、温度変動、および／または圧力変動を含まない。そのような環境下であっても、デバイスは、例えば構造支持体から発生する適切に予測可能なおよび／または一定の振動（これは、一定周波数の振動、または多数の周波数を含む衝撃振動のいずれかの形態となり得る）に供され得る。そのような場合、運動（例えば振動エネルギー）を電気エネルギーに本質的に変換する捕集器（または回収器）が使用され得る。
１つの特定の種類の振動エネルギー回収器は、周囲の振動（駆動力）により引き起こされるビームの共振の間に変形されると電荷を生成する圧電材料を組み込んだ、共振ビームを利用する。
微小電気機械（「ＭＥＭＳ」）カンチレバー圧電エネルギー回収器が封入パッケージ（真空下のパッケージ、加圧下のパッケージ、または大気圧下にあり、さらに通気されていてもよいパッケージを含む）内に設置される場合、たわんでいる間に、パッケージのたわみがパッケージの高さと等しくなるとそれがパッケージの上部または下部と相互作用する可能性がある。これは、カンチレバーの周波数応答のバンド幅を広げることができるため、望ましい場合がある。しかしながら、カンチレバーがパッケージの上部または下部と接触すると、カンチレバーの破損の危険性がある。先行技術は、パッケージとカンチレバーとの間の相互作用を安定化させるために、パッケージ内に停止部機構を設置することによりこの問題に対応してきた。しかしながら、これは、パッケージ製造および組み立てに余分なコストを加え、エネルギー回収に対するパッケージの精密な整合を必要とする。
本発明は、当該技術分野におけるこれらの、および他の欠陥を克服することを目的とする。
本発明の一態様は、圧電材料を備え、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの第２の端部の少なくとも一部を包囲するパッケージと、塊体および／または共振器ビームの第２の端部に接続され、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成された停止部とを備える、エネルギー回収器デバイスに関する。
本発明の別の態様は、電動装置と、装置に電気的に結合された本発明のエネルギー回収器デバイスとを備えるシステムに関する。
本発明のさらなる態様は、電動装置に電力供給する方法に関する。この方法は、本発明によるシステムを提供することと、圧電材料から電気エネルギーを生成するために、システムを運動または振動に供することと、装置に電力を提供するために、圧電材料からの電気エネルギーを装置に伝達することとを含む。
本発明の別の態様は、エネルギー回収器デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、シリコンウェハの第１の表面上に第１の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を堆積させることと、カンチレバー材料上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第２の二酸化ケイ素層上に圧電スタックを堆積させることと、圧電スタック層をパターニングすることと、第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、エネルギー回収器デバイスを製造するために、シリコンウェハの第２の表面をエッチングすることとを含む。エネルギー回収器デバイスは、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの第２の端部にあるばね先端とを備える。
本発明のさらなる態様は、エネルギー回収器デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、シリコンウェハの第１の表面上に第１の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を堆積させることと、カンチレバー材料上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第２の二酸化ケイ素層上に圧電スタックを堆積させることと、圧電スタック層をパターニングすることと、第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、エネルギー回収器デバイスを画定するために、シリコンウェハの第２の表面をエッチングすることとを含む。エネルギー回収器デバイスは、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体とを備える。方法は、停止部材料を堆積させることと、細長共振器ビームの第２の端部で停止部を画定するために、停止部材料をエッチングすることとをさらに含む。
本発明のエネルギー回収器デバイスは、カンチレバー／パッケージ相互作用を安定化する機能を提供する停止部機構を組み込んでいる。停止部機構は、カンチレバー自体を作製するために、およびカンチレバー製造と同時に使用される材料から、または、相補型金属酸化物半導体（「ＣＭＯＳ」）適合性材料から作製されてもよく、それによりデバイス製造に追加的コストをほとんど、または全くもたらさない。さらに、本発明はまた、パッケージ上の機構にデバイスを整合させる必要性を回避し、これはもう１つのコスト削減である。
第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体とを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、塊体の端部を越えて延在する停止部構造を備える。 第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体とを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、塊体の端部を越えて延在する停止部構造を備える。 図３Ａは、第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの少なくとも一部を包囲するパッケージとを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、塊体の端部を越えて延在する停止部構造を備え、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成される。図３Ｂおよび３Ｃは停止部がパッケージと接触して、カンチレバーの動きを安定化および／または共振器ビームとパッケージとの接触を防止する際の、共振器ビームの振動中の２つの異なる時点での図３Ａのデバイスを示す図である。 図４Ａは、第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームを包囲するパッケージとを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、塊体の端部を越えて延在する停止部構造を備え、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成される。図４Ｂおよび４Ｃは停止部がパッケージと接触して、カンチレバーの動きを安定化および／または共振器ビームとパッケージとの接触を防止する際の、共振器ビームの振動中の２つの異なる時点での図４Ａのデバイスを示す図である。 図５Ａは、第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの少なくとも一部を包囲するパッケージとを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、塊体の端部を越えて延在する停止部構造を備え、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成される。図５Ｂおよび５Ｃは停止部がパッケージと接触して、カンチレバーの動きを安定化および／または共振器ビームとパッケージとの接触を防止する際の、共振器ビームの振動中の２つの異なる時点での図５Ａのデバイスを示す図である。 図６Ａは、第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームを包囲するパッケージとを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、塊体の端部を越えて延在する停止部構造を備え、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成される。図６Ｂおよび６Ｃは停止部がパッケージと接触して、カンチレバーの動きを安定化および／または共振器ビームとパッケージとの接触を防止する際の、共振器ビームの振動中の２つの異なる時点での図６Ａのデバイスを示す図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一部を形成する１つ以上の停止部構造を備える、共振器ビームの様々な実施形態の平面図である。 第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体とを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、２つの停止部構造を備え、その一方は塊体の上に位置し、他方は塊体の下に位置する。 図９Ａ〜９Ｂは、第１および第２の端部を有し圧電材料を備える共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの少なくとも一部を包囲するパッケージとを含む、本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態の側面図である。共振器ビームの第２の端部は、２つの停止部構造を備え、その一方は塊体の上に位置し、他方は塊体の下に位置する。図９Ａおよび９Ｂは、塊体の上に位置する停止部がパッケージと接触して、カンチレバーの動きを安定化および／または共振器ビームとパッケージとの接触を防止する際の（図９Ａ）、ならびに、塊体の下に位置する停止部がパッケージと接触して、カンチレバーの動きを安定化および／または共振器ビームとパッケージとの接触を防止する際（図９Ｂ）の、共振器ビームの振動中の２つの異なる時点でのデバイスを示す図である。 スマートフォンに電力供給するための電気エネルギーを提供するために、スマートフォンに電気的に結合された本発明のエネルギー回収器デバイスを含む、電動スマートフォンを含む本発明のシステムの一実施形態を示す図である。 本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態を生成するための層状材料スタックの側面図である。層状材料スタックは、シリコンウェハ、第１の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、第２の二酸化ケイ素層、および任意選択の接着層、第１の金属層、圧電材料層、および第２の金属層を含む。 層状材料スタックから圧電材料層および金属層（複数可）の一部を除去するように、本発明のエネルギー回収器デバイスを製造する方法の一実施形態に従いパターニングされた、図１１の層状材料スタックの側面図である。 第１の金属層が層状材料スタックからその一部を除去するようにパターニングされた、図１２の層状材料スタックの側面図である。 層状材料スタックから第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層の一部を除去するように、本発明のエネルギー回収器デバイスを製造する方法の一実施形態に従いさらにパターニングされた、図１３の層状材料スタックの側面図である。 パターニングされた圧電スタック層、ならびにパターニングされた第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層の上に、第３の二酸化ケイ素層が堆積した、図１４の層状材料スタックの側面図である。 第３の二酸化ケイ素層の一部を除去して、圧電スタックの一部およびシリコンウェハの一部を露出したままとするように、本発明のエネルギー回収デバイスを製造する方法の一実施形態に従いパターニングされた、図１４の層状材料スタックの側面図である。 パターニングされた第３の二酸化ケイ素層、ならびに圧電スタックおよびシリコンウェハの一部の上に、金属接着パッド層が堆積した、図１６の層状材料スタックの側面図である。 金属接着パッド層の一部を除去するようにパターニングされた、図１７の層状材料スタックの側面図である。 共振器ビーム、基部、および塊体を形成し、ひいては塊体を越えて延在する停止部構造を有する本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態を形成するように、シリコンウェハの一部がエッチングされた、図１８の層状材料スタックの側面図である。 共振器ビーム、基部、および塊体を形成するように、シリコンウェハの一部がエッチングされた、図１８の層状材料スタックの側面図である。例示される実施形態によれば、塊体は、共振器ビームの端部、または端部近くまで延在する。 パターニングされた金属接着パッド層上に停止部材料が堆積した、図２０の層状材料スタックの側面図である。 パターニングされた金属接着パッド層上に堆積した停止部材料が、塊体の上で停止部構造を画定するようにエッチングされた、図２１の層状材料スタックの側面図である。 停止部材料が、塊体の下側に堆積した、図２２の層状材料スタックの側面図である。 塊体の下側に堆積した停止部材料が、塊体の下で停止部構造を画定するようにエッチングされた、図２３の層状材料スタックの側面図である。
発明の詳細な説明
本発明は、圧電エネルギー回収器デバイス、圧電エネルギー回収器デバイスを備えるシステム、ならびに圧電エネルギー回収器デバイスを使用および作製する方法に関する。本発明の圧電エネルギー回収器デバイスは、カンチレバー／パッケージ相互作用を安定化する機能を提供する停止部機構を組み込んでいる。
本発明の一態様は、圧電材料を備え、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの第２の端部の少なくとも一部を包囲するパッケージと、塊体および／または共振器ビームの第２の端部に接続され、共振器ビームの第２の端部とパッケージとの間の接触を防止するように構成された停止部とを備える、エネルギー回収器デバイスに関する。別の実施形態によれば、停止部は、破損を防止するように共振器ビームの動きを安定化する。
図１は、本発明のエネルギー回収器デバイスの以下の部分の一実施形態の斜視図である：圧電材料を備え、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビーム；第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部；共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体；ならびに塊体および／または共振器ビームの第２の端部に接続された停止部。具体的には、エネルギー回収器デバイス１０は、圧電材料を備える共振器ビーム１２を含む。共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の第１の端部１６と共振器ビーム１２の第２の端部１８との間に延在する。基部２０は、第１の端部１６で共振器ビーム１２に接続され、第２の端部１８は、カンチレバーとして基部２０から自由に延在する。エネルギー回収器デバイス１０はまた、共振器ビーム１２の第２の端部１８に取り付けられた塊体２２を含む。停止部１４は、塊体２２を越えて延在する、第２の端部１８における共振器ビーム１２の延長部として形成される。
エネルギー回収器デバイス１０はまた、共振器ビーム１２の圧電材料と電気的に接触した１つ以上の電極２４を含む。一実施形態によれば、電極２４は、モリブデンおよび白金からなる群から選択される材料を含むが、電極構造を形成するのに好適な他の材料もまた使用され得る。加えて、エネルギー回収器デバイス１０は、共振器ビーム１２の圧電材料から電気エネルギーを回収するために、１つ以上の電極２４と電気的に接続された電気回収回路をさらに含んでもよい。以下でさらに詳細に説明されるように、電気回収回路は、圧電材料から生成され供給された電力を装置に提供するために、電動装置に電気的に結合され得る。
エネルギー回収器デバイス１０の共振器ビーム１２は、圧電材料を含む。圧電材料は、機械的歪みに供された場合に電気的に分極する材料である。分極の程度は、印加される歪みに比例する。圧電材料は、広く知られており、単結晶（例えば、石英）、圧電セラミック（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛またはＰＺＴ）、薄膜（例えば、スパッタ酸化亜鉛）、圧電セラミック粉末に基づくスクリーン印刷可能な厚膜（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｂａｕｄｒｙ，"Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ，"Ｐｒｏｃ．６ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｌｏｎｄｏｎ，ＵＫ）ｐｐ．４５６−６３（１９８７）およびＷｈｉｔｅ＆Ｔｕｒｎｅｒ，"Ｔｈｉｃｋ−ｆｉｌｍ Ｓｅｎｓｏｒｓ：Ｐａｓｔ，Ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．８：１−２０（１９９７）を参照されたい）、およびポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｌｏｖｉｎｇｅｒ，"Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，"Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２０：１１１５−２１（１９８３）を参照されたい）等のポリマー材料を含む、多くの形態で利用可能である。
圧電材料は、典型的には、異方性特性を示す。したがって、材料の特性は、力の方向ならびに分極および電極の配向に依存して異なる。材料の圧電活性のレベルは、表記の軸と併せて使用される一連の定数により定義される。圧電歪み定数ｄは、以下のように定義され得る：
Figure 2016517684
（Ｂｅｅｂｙ ｅｔ ａｌ．，"Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１７：Ｒ１７５−Ｒ１９５（２００６）、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。
本発明のエネルギー回収器デバイスにおいて、共振器ビーム１２は、カンチレバーとして基部２０から自由に延在する第２の端部１８を有する。圧電材料を含むカンチレバー構造は、屈曲モードで動作し、それにより圧電材料を変形させてｄ効果から電荷を生成するように設計される（Ｂｅｅｂｙ ｅｔ ａｌ．，"Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１７：Ｒ１７５−Ｒ１９５（２００６）、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。カンチレバーは、共振器ビーム１２の第２の端部１８で取り付けられた塊体２２の存在によりさらに低減された、低い共振周波数を提供する。
動作中の本発明のエネルギー回収器デバイス１０の共振器ビーム１２の共振周波数は、約５０Ｈｚから約４，０００Ｈｚ、約１００Ｈｚから約３，０００Ｈｚ、約１００Ｈｚから約２，０００Ｈｚ、または約１００Ｈｚから約１，０００Ｈｚの周波数を含み得る。
一実施形態によれば、共振器ビーム１２は、少なくとも１つが圧電材料を含む複数の層で形成されたラミネートを備える。好適な圧電材料は、限定されることなく、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、およびチタン酸ジルコン酸鉛系化合物を含む。圧電材料の層と共に、他の非圧電材料もまた使用され得る。他の層の限定されない例は、図１１の層状材料スタック（５０）に関して後述されるものを含む。
共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の調整を補助し、構造的支持を提供するために、様々な形状および構成をとる側壁を有してもよい。一実施形態によれば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国仮特許出願第６１／７８０，２０３号に記載のように、共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の面内で連続的に湾曲した側壁を有する。
本発明のエネルギー回収器デバイス１０は、共振器ビーム１２の第２の端部１８で塊体２２を含む。塊体２２は、共振器ビーム１２の周波数を低下させ、また共振器ビーム１２の電力出力（すなわち、圧電材料により生成される）を増加させるために提供される。塊体２２は、単一材料または複数の材料（例えば、材料の層）で構築されてもよい。一実施形態によれば、塊体２２は、シリコンウェハ材料で形成される。他の好適な材料は、限定されることなく、電気めっきまたは熱蒸着により付着させた銅、金、およびニッケルを含む。
一実施形態において、共振器ビーム１２当たり単一の塊体２２が提供される。しかしながら、２つ以上の塊体２２が共振器ビーム１２に取り付けられてもよい。他の実施形態において、塊体２２は、例えば、共振器ビーム１２に沿った異なる場所に提供される。
当業者に容易に理解されるように、共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の断面形状、共振器ビーム１２の断面寸法、共振器ビーム１２の長さ、塊体２２の質量、共振器ビーム１２上の塊体２２の位置、および共振器ビーム１２を作製するのに使用される材料等の複数のパラメータの任意の１つ以上を変化させることにより調整され得る。
動作中、１つ以上の電極２４は、共振器ビーム１２が運動に供された際に、共振器ビーム１２の圧電材料から電荷を回収する。したがって、電極２４は、共振器ビーム１２の圧電材料と電気的に接続されている。
次いで、共振器ビーム１２の圧電材料から収集された電気エネルギーは、同じく電極２４またはその近くでエネルギー回収器デバイス１０上に形成された電気回収回路に伝えられる。
図２は、本発明のエネルギー回収器デバイスの代替の実施形態を示す。具体的には、エネルギー回収器デバイス１１０は、圧電材料を備える共振器ビーム１１２を含む。共振器ビーム１１２は、共振器ビーム１１２の第１の端部１１６と共振器ビーム１１２の第２の端部１１８との間に延在する。基部１２０は、第１の端部１１６で共振器ビーム１１２に接続され、第２の端部１１８は、カンチレバーとして基部１２０から自由に延在する。エネルギー回収器デバイス１１０はまた、共振器ビーム１１２の第２の端部１１８に取り付けられた塊体１２２を含む。停止部１１４は、共振器ビーム１１２上の第２の端部１１８に別個の構造として形成され、塊体１２２を越えて延在する。
図３Ａに示されるように、本発明のエネルギー回収器デバイスは、一体化された自己パッケージユニットとして形成され得る。特に、パッケージ２２６は、カンチレバー構造を（少なくとも部分的に）封入するように、カンチレバー構造（すなわち、共振器ビーム２１２、停止部２１４、塊体２２２、および基部２２０）を包囲するように示されている。図３Ｂおよび３Ｃは、カンチレバー構造（具体的には、停止部２１４）とパッケージ２２６との相互作用を示している。具体的には、図３Ｂにおいて、共振器ビーム２１２の第２の端部２１８は、共振器ビーム２１２の振動中に上方に屈曲し、停止部２１４は、パッケージ２２６のリップ２２８Ａと接触して、共振器ビーム２１２とパッケージ２２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム２１２の動きを安定化する。図３Ｃにおいて、共振器ビーム２１２の第２の端部２１８は、共振器ビーム２１２の振動中に下方に屈曲し、停止部２１４は、パッケージ２２６のリップ２２８Ｂと接触して、共振器ビーム２１２（および塊体２２２）とパッケージ２２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム２１２の動きを安定化する。一方、共振器ビーム２１２の第１の端部２１６は、基部２２０に固定されたままである。
図３Ａ〜３Ｂに示されるように、基部２２０は、パッケージ２２６とは別個の構造として示されている。しかしながら、一実施形態によれば、基部は、基部がパッケージの一部であって別個の構造ではないように、パッケージと一体化されて形成されてもよい。
本発明のエネルギー回収器デバイスの他のパッケージもまた、図４〜６に示されるように、また以下でさらに説明されるように使用され得る。例えば、図４Ａに示されるように、パッケージ３２６は、共振器ビーム３１２の第２の端部３１８におけるカンチレバー構造を封入するが、共振器ビーム３１２の第１の端部３１６および基部３２０の近くの開口部を残すように、カンチレバー構造（すなわち、共振器ビーム３１２、停止部３１４、塊体３２２、および基部３２０）を包囲するように示されている。図４Ｂおよび４Ｃは、カンチレバー構造（具体的には、停止部３１４）とパッケージ３２６との相互作用を示している。具体的には、図４Ｂにおいて、共振器ビーム３１２の第２の端部３１８は、共振器ビーム３１２の振動中に上方に屈曲し、停止部３１４は、パッケージ３２６の壁３３０Ａと接触して、共振器ビーム３１２とパッケージ３２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム３１２の動きを安定化する。図４Ｃにおいて、共振器ビーム３１２の第２の端部３１８は、共振器ビーム３１２の振動中に下方に屈曲し、停止部３１４は、パッケージ３２６の壁３３０Ｂと接触して、共振器ビーム３１２（および塊体３２２）とパッケージ３２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム３１２の動きを安定化する。一方、共振器ビーム３１２の第１の端部３１６は、基部３２０に固定されたままである。
本発明のエネルギー回収器デバイスの別の実施形態が、図５Ａに示されている。特に、パッケージ４２６は、カンチレバー構造を（少なくとも部分的に）封入するように、カンチレバー構造（すなわち、共振器ビーム４１２、停止部４１４、塊体４２２、および基部４２０）を包囲するように示されている。図５Ｂおよび５Ｃは、カンチレバー構造（具体的には、停止部４１４）とパッケージ４２６との相互作用を示している。具体的には、図５Ｂにおいて、共振器ビーム４１２の第２の端部４１８は、共振器ビーム４１２の振動中に上方に屈曲し、停止部４１４は、パッケージ４２６のリップ４２８Ａと接触して、共振器ビーム４１２とパッケージ４２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム４１２の動きを安定化する。図５Ｃにおいて、共振器ビーム４１２の第２の端部４１８は、共振器ビーム４１２の振動中に下方に屈曲し、停止部４１４は、パッケージ４２６のリップ４２８Ｂと接触して、共振器ビーム４１２（および塊体４２２）とパッケージ４２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム４１２の動きを安定化する。一方、共振器ビーム４１２の第１の端部４１６は、基部４２０に固定されたままである。
本発明のエネルギー回収器デバイスのさらなる実施形態が、図６Ａに示されている。特に、パッケージ５２６は、カンチレバー構造を（少なくとも部分的に）封入するように、カンチレバー構造（すなわち、共振器ビーム５１２、停止部５１４、塊体５２２、および基部５２０）を包囲するように示されている。図６Ｂおよび６Ｃは、カンチレバー構造（具体的には、停止部５１４）とパッケージ５２６との相互作用を示している。具体的には、図６Ｂにおいて、共振器ビーム５１２の第２の端部５１８は、共振器ビーム５１２の振動中に上方に屈曲し、停止部５１４は、パッケージ５２６の壁５３０Ａと接触して、共振器ビーム５１２とパッケージ５２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム５１２の動きを安定化する。図６Ｃにおいて、共振器ビーム５１２の第２の端部５１８は、共振器ビーム５１２の振動中に下方に屈曲し、停止部５１４は、パッケージ５２６の壁５３０Ｂと接触して、共振器ビーム５１２（および塊体５２２）とパッケージ５２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム５１２の動きを安定化する。一方、共振器ビーム５１２の第１の端部５１６は、基部５２０に固定されたままである。
本発明のエネルギー回収器デバイスの共振器ビームの停止部構造は、様々な設計となり得る。共振器ビームと一体化されてまたはその上に形成された停止部構造のいくつかの限定されない例が、図７Ａ〜７Ｌに示されている。図７Ａにおいて、共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の角部から生じる２つの停止部１４Ａおよび１４Ｂを備える。図７Ｂにおいて、共振器ビーム１２上で、３つの停止部１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃが使用される。図７Ｃにおいて、停止部１４は、共振器ビーム１２の３つの異なる縁部に沿って形成される。図７Ｄにおいて、停止部１４は、共振器ビーム１２の１つの縁部に沿って形成される。図７Ｅにおいて、停止部１４Ａおよび１４Ｂは、共振器ビーム１２の２つの角部に位置する。図７Ｆは、３つの停止部１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃを示し、これらは、共振器ビーム１２の３つの異なる側面から突出する個々の構造として形成される。図７Ｇにおいて、４つの停止部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄが存在する。共振器ビーム１２の第１の側面は、２つの停止部１４Ｂおよび１４Ｃを含み、２つの他の側面は、それぞれ単一の停止部（１４Ａおよび１４Ｄ）を含む。図７Ｈは、共振器ビーム１２の３つの異なる側面に沿った３つの停止部のセットとして形成される停止部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ、１４Ｈ、および１４Ｉを含む、いくつかの停止部を使用している。図７Ｉ、７Ｊ、７Ｋ、および７Ｌは、それぞれ図７Ｅ、７Ｆ、７Ｇ、および７Ｈに示されるものと類似した構造を有する共振器ビーム１２を示すが、但し、図７Ｉ、７Ｊ、７Ｋ、および７Ｌにおける停止部１４は、図７Ｅ、７Ｆ、７Ｇ、および７Ｈにおける停止部１４の矩形形状と比較して、丸い形状を有する。
共振器ビームとは別個の構造として形成される場合、停止部は、金属、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、および他の相補型金属酸化物半導体適合性材料、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される材料で構築され得る。
一実施形態によれば、本発明のエネルギー回収器デバイスの停止部は、可撓性である。したがって、例えば、図６Ｂ〜６Ｃを参照して、停止部５１４は、振動中に壁５３０Ａおよび５３０Ｂと接触すると、曲がって共振器ビーム５１２の安定化を補助する。
停止部構造は、本発明のエネルギー回収器デバイスの共振器ビーム上、および／または塊体上に形成され得る。したがって、図８に示されるように、エネルギー回収器デバイス６１０は、２つの停止部６１４Ａおよび６１４Ｂを含み得る。停止部６１４Ａは、共振器ビーム６１２および第１第２の端部６１８上に形成され、停止部６１４Ｂは、塊体６２２の下側に形成される。共振器ビーム６１２は、基部６２０の第１の端部６１６に取り付けられる。
図９Ａおよび９Ｂは、部分的にパッケージ６２６内に封入された図８のカンチレバー構造を示した。図９Ａにおいて、共振器ビーム６１２の第２の端部６１８は、共振器ビーム６１２の振動中に上方に屈曲し、停止部６１４Ａは、パッケージ６２６の壁６３０Ａと接触して、共振器ビーム６１２とパッケージ６２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム６１２の動きを安定化する。図９Ｂにおいて、共振器ビーム６１２の第２の端部６１８は、共振器ビーム６１２の振動中に下方に屈曲し、停止部６１４Ｂは、パッケージ６２６の壁６３０Ｂと接触して、共振器ビーム６１２（および塊体６２２）とパッケージ６２６の任意の他の部分とのいかなる接触も防止し、共振器ビーム６１２の動きを安定化する。一方、共振器ビーム６１２の第１の端部６１６は、基部６２０に固定されたままである。停止部６１４Ａおよび６１４Ｂは、共振器ビーム６１２の動きを安定化するために、エネルギー回収器デバイス６１０上に最適な態様で設置される。
本発明の別の態様は、電動装置と、電動装置に電気的に結合された本発明のエネルギー回収器デバイスとを備えるシステムに関する。
ここで図１０を参照すると、電動装置（スマートフォン）３２が、（その外部筐体内に）エネルギー回収器デバイス１０を含むように示されている。この実施形態によれば、エネルギー回収器デバイス１０は、別の独立エネルギー源（例えば、電池）の代わりに、またはそれと併せて使用される独立エネルギー源をスマートフォン３２に給電するために提供する。代替の実施形態において、電動装置は、例えば、タブレット、ＰＣ、および／またはスマートフォンと電気的に通信する腕時計型デバイスまたはネックレス等の、ウェアラブルデバイスである。
電動装置および本発明のエネルギー回収器デバイスを含む本発明の他のシステムは、限定されることなく、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、電子書籍リーダー、ＭＰ３プレーヤー、電話ヘッドセット、ヘッドフォン、ルータ、ゲームデバイス、ゲームコントローラ、モバイルインターネットアダプタ、カメラ、無線センサー、タブレット、ＰＣ、および／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサー、（工業、レール、建物、農業等を監視するネットワーク用）無線センサーモート、タイヤ圧センサーモニタ、電子ディスプレイ（例えば、電動ツール上）、家畜監視用農業デバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、ならびに玩具を含む。
例えば、一実施形態によれば、本発明のシステムは、例えば、任意の１つ以上の様々な環境特性（温度、湿度、光、音、振動、風、運動等）を監視するためのセンサーを含む無線センサーデバイスである。本発明のエネルギー回収器デバイスは、センサーと結合され、センサーに電力を提供する。
一例によれば、本発明のシステムは、タイヤ圧を監視するためのセンサーを含むタイヤ圧監視システムである。本発明のエネルギー回収器デバイスは、センサーに結合されて電力を提供する。そのようなシステムは、例えば、自動車のホイールまたはタイヤ上に装着される小型デバイスとして形成され得る。
別の例によれば、本発明のシステムは、家庭用または商業用衣類乾燥機の電子制御部と通信する湿度センサーである。本発明のエネルギー回収器デバイスは、センサーに結合されて電力を提供する。そのようなシステムは、例えば、衣類乾燥機内の湿度レベルに基づいて衣類の乾燥度を監視するために衣類乾燥機の内側に装着される小型デバイスとして形成され得る。代替として、デバイスは、衣類乾燥機の内側に装着されず、例えば、衣類と共に乾燥機内に投入され得るデバイス（例えば、ボール）である。次いで、センサーは、衣類乾燥機の電子制御部と通信して、例えば、サイクルの終了を決定することができる。
本発明のさらなる態様は、電動装置に電力供給する方法に関する。この方法は、本発明のシステムを提供することと、圧電材料から電気エネルギーを生成するために、システムを運動または振動に供することと、装置に電力を提供するために、圧電材料からの電気エネルギーを装置に伝達することとを含む。
本発明の別の態様は、エネルギー回収器デバイスを製造する方法に関する。この方法は、エネルギー回収器デバイスを製造するために、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、シリコンウェハの第１の表面上に第１の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を堆積させることと、カンチレバー材料上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第２の二酸化ケイ素層上に圧電スタック層を堆積させることと、圧電スタック層をパターニングすることと、第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、シリコンウェハの第２の表面をエッチングすることとを含む。エネルギー回収器デバイスは、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体と、共振器ビームの第２の端部にあるばね先端とを備える。
一実施形態によれば、本発明の方法は、パターニングされた圧電スタック層、ならびにパターニングされた第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層の上に、第３の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第３の二酸化ケイ素層をパターニングすることとをさらに含んでもよい。別の実施形態によれば、本発明の方法は、パターニングされた第３の二酸化ケイ素層の上に金属接着パッド層を堆積させることと、金属接着パッド層をパターニングすることとをさらに含んでもよい。
ここで、図１１を参照すると、本発明のエネルギー回収器デバイスを製造する方法の一実施形態は、本明細書に記載のようなエネルギー回収器デバイスを形成するようにパターニングされる層状材料のスタックである、層状材料スタック５０を形成することを含む。層状材料スタック５０は、以下の層状材料を含む：シリコンウェハ５２（第１の表面５１および第２の表面５３を有する）、第１の二酸化ケイ素層５４、カンチレバー材料５６、第２の二酸化ケイ素層５８、接着層６０（任意選択である）、ならびに圧電スタック層６１（第１の金属層６２、圧電材料層６４、および第２の金属層６６を備える）。
図１１に示されるように、本発明のエネルギー回収器デバイスを形成する方法は、第１の表面５１および第２の表面５３を有するシリコンウェハ５２を提供することと、シリコンウェハ５２の第１の表面５１上に、第１の二酸化ケイ素層５４を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層５４上にカンチレバー材料５６を堆積させることと、カンチレバー材料５６上に第２の二酸化ケイ素層５８を堆積させることと、第２の二酸化ケイ素層５８上に任意選択の接着層６０を堆積させることと、第２の二酸化ケイ素層５８上に圧電スタック層６１を堆積させることにより、層状材料スタック５０を形成することを含む。
シリコンウェハ５２は、一実施形態によれば、単結晶両面研磨シリコンウェハである。一実施形態において、シリコンウェハ５２は、約４００μｍから約１，０００μｍ、約５００μｍから約９００μｍ、約６００μｍから約８００μｍ、または約７００μｍの厚さを有する。１つの具体例において、シリコンウェハ５２は、約７２５μｍ（＋／−１５μｍ）の厚さ（すなわち、８インチウェハの標準厚さ）を有する両面研磨シリコンウェハである。代替として、シリコンウェハ５２の代わりに、本発明の方法は、二酸化ケイ素の堆積層から開始して、その上に層状材料スタック５０の後続の層が形成されてもよい。
第１の二酸化ケイ素層５４は、一実施形態によれば、熱酸化物層である。二酸化ケイ素層５４は、カンチレバー材料５６を解放し、また塊体がシリコンで作製される場合には塊体も画定する、背面エッチング停止部のためのエッチング停止部を提供する。一実施形態において、第１の二酸化ケイ素層５４は、約０．２５μｍから約２μｍの厚さを有する。シリコンウェハ５２への第１の二酸化ケイ素層５４の堆積は、当該技術分野において知られている方法により行うことができる。例えば、二酸化ケイ素を熱成長させ、次いでシリコンウェハ上に堆積させてもよい。１つの具体例において、１μｍ（＋／−０．０５μｍ）の熱成長ＳｉＯ２がシリコンウェハ５２上に堆積し、二酸化ケイ素層５４が形成される。
カンチレバー材料５６は、シリコン、ポリＳｉ、金属（例えば、ＣｕもしくはＮｉ）、または他の金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）適合性材料、あるいはポリイミド等の高温ポリマー等の任意の好適な材料であってもよい。一実施形態において、カンチレバー材料５６は、約１０μｍから約２００μｍ、約１０μｍから約７５μｍ、または約１０μｍから約５０μｍの厚さの範囲で化学気相成長法により第１の二酸化ケイ素層５４上に堆積する。堆積後、例えば化学機械研磨により、カンチレバー材料５６の表面を平滑化することが望ましくなり得る。
第２の二酸化ケイ素層５８は、一実施形態によれば、高温酸化物層である。この層は、圧電スタック層６１が良好に接着し得る表面、および圧電スタック層６１の下部電極をパターニングするためのエッチング停止部を提供する。一実施形態において、第２の二酸化ケイ素層５８は、化学気相成長法により約１μｍの厚さでカンチレバー材料５６上に堆積する。
圧電スタック層６１が第２の二酸化ケイ素層５８上に堆積し、金属／圧電材料／金属層が形成される。一実施形態によれば、圧電スタック層６１は、厚さ約０．５μｍから約６μｍ、または約２μｍから約５μｍの厚さを有する。第１の金属層６２および第２の金属層６６は、電極として適切に機能する任意の好適な金属で形成され得る。一実施形態によれば、これらの層は、モリブデンまたは白金等の同じ材料で形成される。しかしながら、層の両方が同じ材料で形成される必要はない。圧電材料層６４は、上述のような任意の好適な圧電材料で形成される。一実施形態によれば、この層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。
圧電スタック層６１の堆積は、当該技術において標準的であるように、その下に薄い接着層６０を用いて行うことができる。好適な接着層６０は、約０．０２μｍから約０．０５μｍの層厚のチタン、ＡｌＮ、Ａｌ：Ｃｕ、またはＡｌ等の材料を含み得る。
本発明のエネルギー回収器デバイスを作製する方法の一実施形態は、図１２〜１９に示されるように進行する。まず、図１２〜１３に示されるように、圧電スタック層６１がパターニングされる。特に、圧電材料層６４および第２の金属層６６の一部（例えば、部分６８および７０）が、スタック５０から除去され、第１の金属層６２が露出される。
本発明の方法に従う圧電スタック層６１のパターニングは、金属層に対するリン酸、および水酸化テトラメチルアンモニウムを用いた湿式エッチングと組み合わせた、リソグラフィー技術を使用して達成され得る。層の湿式または乾式エッチングのための他の好適な化学物質もまた、当業者により一般的に使用され、本発明の方法の実行に使用され得る。
一実施形態によれば、圧電スタック層６１のパターニングは、第２の金属層６６および圧電材料層６４の一部を除去することと、第１の金属層６２をパターニングして、その一部（例えば、部分７２）を除去し、そのさらなる部分を電極として露出したままとすることとを含む。電極のパターニングは、リン酸湿式エッチング、または塩素もしくはフッ素ガスを用いたプラズマ（乾式）エッチングを使用して実行され得る。接着層が存在する場合、接着層は、湿式エッチングに基づくアンモニア過酸化物により除去され得る（例えば、チタン接着層の場合）。圧電スタック層６１のパターニングのこの実施形態の得られた生成物の上面図が図１７に示されているが、電極２４は露出するように示されている。
次に、第２の二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６、および第１の二酸化ケイ素層５４がパターニングされる。この方法ステップは、図１４に示されている。一実施形態によれば、二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６、および第１の二酸化ケイ素層５４のパターニングは、第２の二酸化ケイ素層５８の一部、カンチレバー材料５６の一部、および第１の二酸化ケイ素層５４の一部を除去して、シリコンウェハ５２の第１の表面５１の部分７８を露出したままとすることを含む。
第２の二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６、および第１の二酸化ケイ素層５４のパターニングは、第２の二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６、および第１の二酸化ケイ素層５４の対置する側壁を除去して、側壁を有するカンチレバー材料を形成することをさらに含んでもよい。
一実施形態によれば、このパターニングは全て、乾燥プロセスにより行われてもよい。例えば、酸化物の場合フッ素ＣＨＦ３／ＣＦ４ガスおよび反応性イオンエッチング、ポリＳｉの場合ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８深掘り反応性イオンエッチングがある。Ｃｕ、Ａｕ、またはＮｉ等の金属の場合、当該技術分野において周知の湿式エッチングプロセスを使用することができる。代替として、Ｃｕ、Ｎｉ、またはＡｕが、シリコン層のパターニングの後に電気めっきにより追加される。
図１５に示されるさらなる（任意選択の）方法ステップにおいて、パターニングされた圧電スタック層６１、ならびにパターニングされた第２の二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６、および第１の二酸化ケイ素層５４の上に、第３の二酸化ケイ素層５９を堆積させる。一実施形態によれば、このステップは、パッシベーション層用のケイ素を堆積させるために、シラン（ケイ素源）のプラズマ化学気相成長法を使用して行われる。この層は、約１μｍの厚さまで堆積し得る。別の実施形態によれば、第３の二酸化ケイ素層の堆積は、磨耗に対する堅牢性を構造に提供する任意選択のステップである。
図１６に示される次の方法ステップにおいて、存在する場合には、第３の二酸化ケイ素層５９がパターニングされる。一実施形態によれば、このステップは、第３の二酸化ケイ素層５９の一部を除去して、圧電スタック層６１の部分６８および６９ならびにシリコンウェハの部分７８を露出したままとすることを含む。一実施形態によれば、このパターニングは、ＣＨＦ３反応性イオンエッチングプロセスを使用して行われる。
さらなる（任意選択の）方法ステップが図１７に示されるが、これは、パターニングされた第３の二酸化ケイ素層５９、ならびに圧電スタック層６１の部分６８およびシリコンウェハ５２の部分７８の上に堆積した、金属接着パッド層８０を示している。接着パッド層８０は、堅牢なワイヤボンドがデバイスに形成されることを可能にする表面を提供し、それにより、良好な電気接続を確実にする。一実施形態によれば、金属接着パッド層８０は、約１μｍの厚さまで堆積し、また金属材料（例えば、Ａｌ）である。この層は、ワイヤボンドの信頼性を改善するために堆積させる。
図１８は、存在する場合には金属接着パッド層８０をパターニングすることを含む次の方法ステップを示す。一実施形態によれば、金属接着パッド層８０は、上部および下部電極接続用の開口部よりも若干長くパターニングされる。一実施形態において、金属接着パッド層８０のパターニングは、リン酸に基づく湿潤エッチング化学を使用して行われる。しかしながら、他の方法もまた使用され得る。
次の方法ステップは、図１９に示されるが、シリコンウェハ５２が表面５３でエッチングされて共振器ビーム１２、基部２０、塊体２２、および停止部１４を形成し、このようにして本発明のエネルギー回収デバイスの一実施形態が製造される。換言すれば、シリコンウェハ５２の一部がエッチング除去されて、共振器ビーム１２となったものの下に穴８２を形成し、基部２０となったシリコンウェハ５２の一部と、塊体２２となったシリコンウェハ５２の一部との間に間隔を形成する。同様に、シリコンウェハ５２の一部がエッチング除去されて、塊体５２の縁部を越えて延在する共振器ビーム１２である停止部１４を形成する。一実施形態によれば、シリコンウェハ５２のエッチングは、リソグラフィー技術およびＳＦ６／Ｃ４Ｆ８化学による深掘り反応性イオンエッチングを使用して行われる。
本発明のさらなる態様は、エネルギー回収器デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、シリコンウェハの第１の表面上に第１の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を堆積させることと、カンチレバー材料上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、第２の二酸化ケイ素層上に圧電スタックを堆積させることと、圧電スタック層をパターニングすることと、第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、エネルギー回収器デバイスを画定するために、シリコンウェハの第２の表面をエッチングすることとを含む。エネルギー回収器デバイスは、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している、基部と、共振器ビームの第２の端部に取り付けられた塊体とを備える。方法は、停止部材料を堆積させることと、細長共振器ビームの第２の端部で停止部を画定するために、停止部材料をエッチングすることとをさらに含む。
本発明のこの方法を実行する際、図１２〜１８に示されるのと同じステップが行われる。次のプロセスステップは、図２０に示されるが、シリコンウェハ５２が表面５３でエッチングされて共振器ビーム１２、基部２０、および塊体２２を形成する。換言すれば、シリコンウェハ５２の一部がエッチング除去されて、共振器ビーム１２となったものの下に穴８２を形成し、基部２０となったシリコンウェハ５２の一部と、塊体２２となったシリコンウェハ５２の一部との間に間隔を形成する。図１９に示されるものとは対照的に、このステップは、シリコンウェハ５２の一部をエッチング除去して停止部１４を形成することを、この段階では含まない。
その代わり、プロセスは図２１に示されるように続き、このプロセスは、一実施形態によればフォトレジストラミネートまたはポリマーラミネートであるラミネート材料８６を、存在する場合には接着パッド層８０、または圧電スタック層６１の上の構造上に堆積させることを含む。
次のプロセスステップは、ラミネート材料８６をエッチングして、塊体２２の上に停止部１４Ａを形成することを含む。
一実施形態によれば、塊体の下にも停止部が形成されてもよい。これは、図２３〜２４に示されるように実行され得る。具体的には、図２３に示されるように、ラミネート材料８８は、構造の下側（すなわち、塊体２２の下、および必要に応じて基部２０の下）に堆積させる。図２４に示されるように、ラミネート材料８８は、塊体２２の下に停止部１４Ｂを形成するようにエッチングされる。
本発明のこの態様に従い塊体のいずれかの側で停止部を画定するための他の選択肢は、限定されることなく、有機もしくは無機材料のインクジェット、または金属の電気めっき等の物理的堆積を含む。
以下の実施例は、本発明の実施形態を例示するために提供されるが、決してその範囲を限定することを意図しない。
実施例１−一体化されたばね先端停止部を有するエネルギー回収器デバイス
３，１４６μｍの長さのカンチレバー×２０μｍの厚さのポリシリコンカンチレバー材料、４，０００μｍの長さ×７２５μｍの厚さの塊体、ならびに１，０００μｍの長さおよび対応する２０μｍの厚さのポリシリコン材料のカンチレバーの端部上のばね先端停止部を有する本発明のエネルギー回収器デバイスを、カンチレバーの上および下に１ｍｍの空洞深さを有する空洞アセンブリ内に設置した。次いで、アセンブリを振動源の上に設置し、１２０Ｈｚの共振周波数に変化させた。カンチレバーの先端は、０．５４Ｇの加速で、カンチレバーに損傷を与えずに空洞の上部にぶつかり始めた。アセンブリは、同じ構成において３Ｇまでの高い加速で振動したが、カンチレバーおよびばね先端への損傷は観察されなかった。
２ｍｍ空洞に対しても同じ実験を繰り返した。デバイスは、０．７５Ｇの加速でパッケージの上部にぶつかり始めたが、破損は観察されなかった。さらに、デバイスが３Ｇの加速で振動した際にも、破損は観測されなかった。
本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約および図面を含む）に記載の特徴の全て、ならびに／またはそのように開示された任意の方法もしくはプロセスのステップの全ては、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除いて、任意の組み合わせとして上述の態様のいずれかと組み合わされてもよい。

Claims (60)

  1. 圧電材料を備え、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、
    前記第１の端部で前記共振器ビームに接続され、前記第２の端部はカンチレバーとして前記基部から自由に延在している、基部と、
    前記共振器ビームの前記第２の端部に取り付けられた塊体と、
    前記共振器ビームの前記第２の端部の少なくとも一部を包囲するパッケージと、
    前記塊体および／または前記共振器ビームの前記第２の端部に接続され、破損を防止するために前記共振器ビームの動きを安定化するように構成された停止部と
    を備える、エネルギー回収器デバイス。
  2. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体から延在する部分を備える、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記停止部は、可撓性である、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
  4. 前記パッケージは、前記基部を有する単一構造として形成される、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
  5. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体の単一表面に接続されている、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
  6. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体の第１の表面ならびに前記第２の端部および／または前記塊体の第２の表面に接続されている、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
  7. 前記第２の端部および／または前記塊体の前記第２の表面は、前記第２の端部および／または前記塊体の前記第１の表面に対置している、請求項６に記載のデバイス。
  8. 前記停止部は、金属、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、他の相補型金属酸化物半導体適合性材料、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構築される、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
  9. 前記共振器ビームは、複数の層で形成されたラミネートを備える、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
  10. 前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記圧電材料と電気的に接触した１つ以上の電極
    をさらに備える、前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
  12. 前記１つ以上の電極は、モリブデンおよび白金からなる群から選択される材料を含む、請求項１１に記載のデバイス。
  13. 前記圧電材料から電気エネルギーを回収するための、前記１つ以上の電極と電気的に接続された電気回収回路
    をさらに備える、請求項１１または請求項１２に記載のデバイス。
  14. 前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、およびチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
  15. 電動装置と、
    前記装置に電気的に結合された請求項１に記載のデバイスと
    を備える、システム。
  16. 前記電動装置は、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、電子書籍リーダー、ＭＰ３プレーヤー、電話ヘッドセット、ヘッドフォン、ルータ、ゲームデバイス、ゲームコントローラ、モバイルインターネットアダプタ、カメラ、無線センサー、タブレット、ＰＣ、またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサー、（工業、レール、建物、農業等を監視するネットワーク用）無線センサーモート、タイヤ圧センサーモニタ、電動ツール上の電力供給用簡易ディスプレイ、家畜監視用農業デバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、および玩具からなる群から選択される、請求項１５に記載のシステム。
  17. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体から延在する部分を備える、請求項１５または請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記停止部は、可撓性である、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記パッケージは、前記基部を有する単一構造として形成される、請求項１５から１８のいずれか一項に記載のシステム。
  20. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体の単一表面に接続されている、請求項１５から１９のいずれか一項に記載のシステム。
  21. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体の第１の表面ならびに前記第２の端部および／または前記塊体の第２の表面に接続されている、請求項１５から２０のいずれか一項に記載のシステム。
  22. 前記第２の端部および／または前記塊体の前記第２の表面は、前記第２の端部および／または前記塊体の前記第１の表面に対置している、請求項２１に記載のシステム。
  23. 前記停止部は、金属、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、他の相補型金属酸化物半導体適合性材料、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構築される、請求項１５から２２のいずれか一項に記載のシステム。
  24. 前記共振器ビームは、複数の層で形成されたラミネートを備える、請求項１５から２３のいずれか一項に記載のシステム。
  25. 前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項２４に記載のシステム。
  26. 前記圧電材料と電気的に接触した１つ以上の電極
    をさらに備える、請求項１５から２５のいずれか一項に記載のシステム。
  27. 前記１つ以上の電極は、モリブデンおよび白金からなる群から選択される材料を含む、請求項２６に記載のシステム。
  28. 前記圧電材料から電気エネルギーを回収するための、前記１つ以上の電極と電気的に接続された電気回収回路
    をさらに備える、請求項２６または請求項２７に記載のシステム。
  29. 前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、およびチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される、請求項１５から２８のいずれか一項に記載のシステム。
  30. 請求項１５から２９のいずれか一項に記載のシステムを提供することと、
    前記圧電材料から電気エネルギーを生成するために、前記システムを運動または振動に供することと、
    電動装置に電力を提供するために、前記圧電材料から前記装置に前記電気エネルギーを伝達することと
    を含む、電動装置に電力供給する方法。
  31. 前記装置は、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、電子書籍リーダー、ＭＰ３プレーヤー、電話ヘッドセット、ヘッドフォン、ルータ、ゲームデバイス、ゲームコントローラ、モバイルインターネットアダプタ、カメラ、無線センサー、タブレット、ＰＣ、またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサー、（工業、レール、建物、農業等を監視するネットワーク用）無線センサーモート、タイヤ圧センサーモニタ、電動ツール上の電力供給用簡易ディスプレイ、家畜監視用農業デバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、および玩具からなる群から選択される、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体から延在する部分を備える、請求項３０または請求項３１に記載の方法。
  33. 前記停止部は、可撓性である、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記パッケージは、前記基部を有する単一構造として形成される、請求項３０から３３のいずれか一項に記載の方法。
  35. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体の単一表面に接続されている、請求項３０から３４のいずれか一項に記載の方法。
  36. 前記停止部は、前記第２の端部および／または前記塊体の第１の表面ならびに前記第２の端部および／または前記塊体の第２の表面に接続されている、請求項３０から３５のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記第２の端部および／または前記塊体の前記第２の表面は、前記第２の端部および／または前記塊体の前記第１の表面に対置している、請求項３６に記載の方法。
  38. 前記停止部は、金属、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、他の相補型金属酸化物半導体適合性材料、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構築される、請求項３０から３７のいずれか一項に記載の方法。
  39. 前記共振器ビームは、複数の層で形成されたラミネートを備える、請求項３０から３８のいずれか一項に記載の方法。
  40. 前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項３９に記載の方法。
  41. 前記システムは、
    前記圧電材料と電気的に接触した１つ以上の電極
    をさらに備える、請求項３０から４０のいずれか一項に記載の方法。
  42. 前記１つ以上の電極は、モリブデンおよび白金からなる群から選択される材料を含む、請求項４１に記載の方法。
  43. 前記システムは、
    前記圧電材料から電気エネルギーを回収するための、前記１つ以上の電極と電気的に接続された電気回収回路
    をさらに備える、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
  44. 前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、およびチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される、請求項３０から４３のいずれか一項に記載の方法。
  45. 第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、
    前記シリコンウェハの前記第１の表面上に第１の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
    前記第１の二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を堆積させることと、
    前記カンチレバー材料上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
    前記第２の二酸化ケイ素層上に圧電スタックを堆積させることと、
    前記圧電スタック層をパターニングすることと、
    前記第２の二酸化ケイ素層、前記カンチレバー材料、および前記第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、
    第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、
    前記第１の端部で前記共振器ビームに接続され、前記第２の端部はカンチレバーとして前記基部から自由に延在している、基部と、
    前記共振器ビームの前記第２の端部に取り付けられた塊体と、
    前記共振器ビームの前記第２の端部にあるばね先端と
    を備えるエネルギー回収デバイスを製造するために、前記シリコンウェハの前記第２の表面をエッチングすることと
    を含む、エネルギー回収デバイスを製造する方法。
  46. 前記圧電スタック層は、第２の金属層により被覆された圧電材料層により被覆された第１の金属層を備える、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記圧電材料層は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、およびチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される圧電材料を含む、請求項４６に記載の方法。
  48. 前記圧電スタック層をパターニングすることは、
    前記第１の金属層および圧電材料層の一部を除去することと、
    前記第２の金属層の一部を除去するためおよびさらなる部分を電極として露出したままとするために、前記第２の金属層をパターニングすることと
    を含む、請求項４５から４７のいずれか一項に記載の方法。
  49. 前記第２の二酸化ケイ素層、前記カンチレバー材料、および前記第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることは、
    前記シリコンウェハの第１の表面の一部を露出したままとするために、前記第２の二酸化ケイ素層の一部、前記カンチレバー材料の一部、および前記第１の二酸化ケイ素層の一部を除去すること
    を含む、請求項４５から４８のいずれか一項に記載の方法。
  50. 前記パターニングされた圧電スタック層、ならびに前記パターニングされた第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層の上に、第３の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
    前記第３の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、
    前記パターニングされた第３の二酸化ケイ素層の上に金属接着パッド層を堆積させることと、
    前記金属接着パッド層をパターニングすることと
    をさらに含む、請求項４５から４９のいずれか一項に記載の方法。
  51. 前記第３の二酸化ケイ素層をパターニングすることは、
    前記圧電スタックの一部および前記シリコンウェハの一部を露出したままとするために、前記第３の二酸化ケイ素層の一部を除去すること
    を含む、請求項４５から５０のいずれか一項に記載の方法。
  52. 第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、
    前記シリコンウェハの前記第１の表面上に第１の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
    前記第１の二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を堆積させることと、
    前記カンチレバー材料上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
    前記第２の二酸化ケイ素層上に圧電スタックを堆積させることと、
    前記圧電スタック層をパターニングすることと、
    前記第２の二酸化ケイ素層、前記カンチレバー材料、および前記第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、
    第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、
    前記第１の端部で前記共振器ビームに接続され、前記第２の端部はカンチレバーとして前記基部から自由に延在している、基部と、
    前記共振器ビームの前記第２の端部に取り付けられた塊体と
    を備えるエネルギー回収デバイスを画定するために、前記シリコンウェハの前記第２の表面をエッチングすることと、
    停止部材料を堆積させることと、
    前記細長共振器ビームの前記第２の端部で停止部を画定するために、前記停止部材料をエッチングすることと
    を含む、エネルギー回収デバイスを製造する方法。
  53. 前記圧電スタック層は、第２の金属層により被覆された圧電材料層により被覆された第１の金属層を備える、請求項５２に記載の方法。
  54. 前記圧電材料層は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、およびチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される圧電材料を含む、請求項５３に記載の方法。
  55. 前記圧電スタック層をパターニングすることは、
    前記第１の金属層および圧電材料層の一部を除去することと、
    前記第２の金属層の一部を除去するためおよびさらなる部分を電極として露出したままとするために、前記第２の金属層をパターニングすることと
    を含む、請求項５２から５４のいずれか一項に記載の方法。
  56. 前記第２の二酸化ケイ素層、前記カンチレバー材料、および前記第１の二酸化ケイ素層をパターニングすることは、
    前記シリコンウェハの前記第１の表面の一部を露出したままとするために、前記第２の二酸化ケイ素層の一部、前記カンチレバー材料の一部、および前記第１の二酸化ケイ素層の一部を除去すること
    を含む、請求項５２から５５のいずれか一項に記載の方法。
  57. 前記パターニングされた圧電スタック層、ならびに前記パターニングされた第２の二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、および第１の二酸化ケイ素層の上に、第３の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
    前記第３の二酸化ケイ素層をパターニングすることと、
    前記パターニングされた第３の二酸化ケイ素層の上に金属接着パッド層を堆積させることと、
    前記金属接着パッド層をパターニングすることと
    をさらに含む、請求項５２から５６のいずれか一項に記載の方法。
  58. 前記第３の二酸化ケイ素層をパターニングすることは、
    前記圧電スタックの一部および前記シリコンウェハの一部を露出したままとするために、前記第３の二酸化ケイ素層の一部を除去すること
    を含む、請求項５７に記載の方法。
  59. 前記停止部材料を、前記パターニングされた金属接着パッド層の上に堆積させる、請求項５７または請求項５８に記載の方法。
  60. 停止部材料を堆積させることは、有機もしくは無機材料のインクジェット、または金属の電気めっき等の物理的堆積を含む、請求項５２から５９のいずれか一項に記載の方法。
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