JP2019180236A - エレクトレット素子、電気機械変換器およびエレクトレット素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
に関する。
」を利用して、絶縁膜の表面から電荷を打ち込む方法がある(例えば、特許文献1参照)
。しかしながら、この方法では櫛歯構造の側面などの狭ギャップ部分を帯電させることが
困難なため、通常は帯電処理後に組み立てる手法が採用されている。そのため、ギャップ
を小さくすることが難しく、発電デバイスやアクチュエータとしての性能が制限されてい
た。
、バイアス電圧でイオンを打ち込む方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
イアス電圧を印加することで、移動・固定化する方法が提案されている(例えば、特許文
献3参照)。
作用した状態を維持する必要がある。例えば、櫛歯を根元まで帯電させるためには、櫛歯
同士が深く挿入された状態を維持させておく必要がある。しかしながら、帯電が進行する
とともに静電力が減少して櫛歯の挿入量が小さくなるので、挿入量を維持するために櫛歯
を押さえる特別な機構が必要となる。また、処理に空気が必要なため、密閉された部分へ
の帯電は困難である。
面からの深さ)を制御することが困難であり、絶縁体の深部に均一に帯電させることがで
きない。表面近くに固定された電荷は空気中の水蒸気と反応して中和されてしまうので、
エレクトレットの寿命が短くなるという欠点がある。
ルカリ金属は半導体素子の電気的特性を劣化させるため、製造装置から排除されている。
そのため、この方法では、CMOSデバイスの一部にエレクトレットを作り込むことが困
難であり、応用範囲に制限があった。また、この方法では、アルカリ金属のイオンをSiO
2表面付近に固定するので、エレクトレットの寿命が短くなるのを防止するために、撥水
膜等の処理を追加で施す必要があった。
たSiO2層と、前記SiO2層における前記Si層との界面の近傍に形成されたエレク
トレットと、を備える。
請求項2の発明に係る電気機械変換器は、請求項1に記載のエレクトレット素子で構成
された第1電極と、前記第1電極と対向配置され、前記第1電極に対して相対的に変位可
能な第2電極と、を備え、前記第1および第2電極が相対変位することにより電気的エネ
ルギーと機械的エネルギーとの間の変換を行う。
請求項3の発明は、請求項2に記載の電気機械変換器において、前記Si層はSi基板
で構成され、前記電気機械変換器を駆動するための回路素子の少なくとも一部が、前記S
i基板に形成されている。
請求項4の発明は、請求項2または3に記載の電気機械変換器において、外力の作用に
より前記第1および第2電極の一方の電極が他方の電極に対して移動して発電を行う。
請求項5の発明は、請求項2または3に記載の電気機械変換器において、前記第1電極
が設けられた静止部と、前記第2電極が設けられた可動部と、前記第1電極と前記第2電
極との間に電圧を印加する電圧源と、前記電圧源による印加電圧を制御して前記可動部を
駆動する制御部と、を備える。
請求項6の発明は、請求項1に記載のエレクトレット素子を製造する方法であって、前
記SiO2層が形成された前記Si層を、前記SiO2層が半導体状態となる第1の温度
に維持しつつ、前記Si層と前記SiO2層との間に電圧を印加する第1の工程と、前記
電圧を印加した状態で、前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記第1の温度から
前記SiO2層が絶縁性を回復する第2の温度まで変化させる第2の工程と、を有する。
することができる。
−第1の実施の形態−
第1の実施形態に係るエレクトレット素子は、界面を挟んでSi層とSiO2層とを形成し
、SiO2層側の界面近傍にエレクトレットを形成したものである。本発明者は、以下に説
明するようなSi/SiO2界面の電気的特性を見出し、その電気的特性を利用してSiO2層に
エレクトレットを形成した。
である。Si層101およびSiO2層102には、Au層103,104が電極として形成さ
れている。Siを高温(500〜700℃程度)にすると、真性キャリア濃度の増大により
電気抵抗率が低下して、ほぼ導体とみなすことができる。また、SiO2は常温において優
れた絶縁体であるが、高温(500〜700℃程度)においては熱励起電子の影響によっ
て電気抵抗率が10^4Ωmオーダー(半導体と同程度)まで低下することが知られている。
温(約610℃)状態においてSi/SiO2界面の電気的特性を調べてみた。図2は、印加電
圧V1と電流iとの関係を示したものであり、高温状態におけるSi/SiO2界面は、ショッ
トキー接合のような整流効果を有することが判明した。
図3は、本実施の形態のエレクトレット素子における帯電原理を説明する図である。Si
O2層201をSi層202,203で挟んだ構造の基板(例えば、SOI(Silicon On Insul
ator)基板)200をSiO2が半導体化する高温(500〜700℃)に加熱した状態で
、図3に示すように電圧V1を印加すると、Si/SiO2界面204を挟んで電気二重層が形
成される。なお、通常、Si層には不純物がドープされたものが使用されるが、その場合、
p型およびn型のどちらも使用することができる。また、不純物を含まないSi層であって
も良い。
る。そのため、上側のSi/SiO2界面204を挟んでSi層202側に正電荷が蓄積され、Si
O2層201側に負電荷が蓄積されることになる。一方、下側のSi/SiO2界面に関しては
電流が流れる方向に電圧が印加されるので、電気二重層は形成されない。
1の絶縁性が復帰する温度まで低下させると、Si/SiO2界面204を挟んだSiO2層20
1側に蓄積された負電荷はその領域にトラップされたまま移動できなくなる。その後、図
4に示すように、電圧V1の印加を止めてSi層202とSi層203とを接続すると、Si層
202からSi層203へ正電荷の一部が移動する。
が解除された後もSi/SiO2界面204の近傍にトラップされたままとなる。その結果、図
4のように電場EがSiO2層201内に形成される。この電場Eがエレクトレットによる
電場であり、Si/SiO2界面204とSi/SiO2界面205との間の電位差はV1である。す
なわち電圧V1のエレクトレットが形成されたことになる。
だ構造の模式図である。面電荷Q2,Q3は図4に示した電気二重層を構成する電荷であ
る。電気二重層における面電荷Q2,Q3間の距離dは非常に小さいが、図5では分かり
やすいように距離dを誇張して大きく表示しており、SiO2層201内の面電荷Q2は図
示した位置に固定されているものとする。図5では、Si層203にも面電荷Q1が帯電し
ており、構造全体で中性であるとする。このため、SiO2層201内の電場E1,E2の
みがゼロでない大きさを持ち、この電場E1,E2によるSi層202,203間の電位差
はVであるとする。
を挟む領域、および面電荷Q3を挟む領域のそれぞれにガウスの法則を適用すると、次式
(1)〜(3)が得られる。なお、SはSiO2層201,Si層202,203の断面積、
ε1はSiO2層201の誘電率である。
ε1・E1・S=Q1 …(1)
(ε1・E2−ε1・E1)・S=Q2 …(2)
−ε1・E2・S=Q3 …(3)
,Q3間の距離であり、gは面電荷Q1,Q2間の距離である。
g・E1+d・E2=−V …(4)
れる。
Q1=−d・Q2/(g+d)−ε1・S・V/(g+d) …(5)
Q3=−Q2−Q1 …(6)
。印加電圧VはV=V1と設定され、図2から判るようにSi/SiO2界面205は電流が流
れるので、図6の状態では次式(7),(8)が成立している。そして、式(7),(8
)を式(5)に適用すると、式(9)が得られる。このQ2がSiO2層201に帯電して
いる固定面電荷であって、エレクトレットを形成している。ここで、印加電圧V1がV1
>0である場合は、Q2<0となる。図6では、基板200の図示右側に、積層方向の電
位の変化を示した。図6の場合、Si/SiO2界面204に電気二重層が形成され、この電気
二重層に電圧V1が集中している。
V=V1 …(7)
Q1=0 …(8)
Q2=−ε1・S・V1/d …(9)
層201は常温では絶縁性が復帰して電荷がトラップされたままとなるので、面電荷Q2
は式(9)の値が維持される。面電荷Q1については、式(9)を式(5)に代入するこ
とにより、式(10)のようになる。
Q1=−ε1・S・(V1−V)/(g+d) …(10)
すようにSi層202とSi層203とを接続すると、その電位差によってSi層202からSi
層203へ正電荷が移動して電位差が減少する。上述した式(10)は、電位差がV1か
らVまで変化したときの正電荷の移動量を表している。最終的には図7に示すように電位
差VはV=0となるので、Si層203の面電荷Q1は次式(11)のようになる。
Q1=−ε1・S・V1/(g+d) …(11)
、|V|<|V1|、かつ、d<<gとする。
|Q1|<<|Q2| …(12)
荷−Q2と、微小な電荷Q1の流出による電荷−Q1との和になっている。したがって、
基本的に高電荷密度の電気二重層{Q2、−Q2}があり、電位差にしたがって上下のSi
層間で少量の電荷Q1が移動するというイメージとなっている。
なわち電場E1≠0)となることである。式(11)からも分かるように、このときに生
じる電場E1の大きさは、エレクトレットが無いとき(Q2=0)に外部バイアス電圧V
1を印加したときに生じる電場と同じ大きさである。このことから、「エレクトレットの
帯電電圧はV1である」と表現している。
、後述するような所定の構造に帯電処理を施すことで、ギャップ空間に電場を発生させる
ことができる。このギャップ空間に発生させた電場を利用して、電気・機械変換(電気的
エネルギーと機械的エネルギーとの間の変換)が可能となり、発電、センサ、アクチュエ
ータなどに利用することができる。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態のエレクトレット素子を、機械電気変換器の一
例である櫛歯構造の振動発電デバイスに適用したものである。図8は振動発電デバイス3
00の概略構成を示す模式図である。この振動発電デバイス300も第1の実施の形態の
エレクトレット素子の場合と同様に、SOI基板を一般的なMEMSの場合と同様の半導
体集積回路作製技術(例えば、ICP−RIEによる深掘りエッチング等)を用いて加工
することにより形成される。
よび可動櫛歯電極303を備えている。可動櫛歯電極303は、弾性支持部305によっ
て台座301上に弾性支持されている。可動櫛歯電極303の各櫛歯は、固定櫛歯電極3
02の各櫛歯の間にギャップを介して配置されている。可動櫛歯電極303には錘304
が設けられている。振動発電デバイス300に外部から振動が加わると、可動櫛歯電極3
03が矢印R方向に振動する。負荷320は、固定櫛歯電極302と可動櫛歯電極303
との間に接続される。後述するように固定櫛歯電極302にはエレクトレットが形成され
ており、振動発電デバイス300に外力が加わって可動櫛歯電極303が振動すると、発
電が行われる。
成されるSiO2層として、Si層の表面に酸化膜(SiO2層)(厚さt=0.2〜1μm程度
)が熱酸化法により形成される(図10参照)。その後、第1の実施の形態と同様にして
酸化膜に電荷を固定してエレクトレットを形成する。なお、本実施形態ではSi層の表面に
形成される酸化膜(SiO2層)を熱酸化法により形成したが、これに限らず、種々の酸化
膜形成方法により酸化膜(SiO2層)しても良い。例えば、CVDによりSi層上にSiO2を
堆積することで、酸化膜(SiO2層)をして形成しても良い。
状を示す。台座301は、SOI基板のハンドル層(Si)によって形成される。固定櫛歯
電極302は、SOI基板のデバイス層(Si)によって形成される。符号307で示す部
分は、SOI基板のBOX層と呼ばれる埋め込み酸化膜(SiO2)である。図示は省略する
が、可動櫛歯電極303,弾性支持部305および錘304は、SOI基板のデバイス層
によって形成される。
層で形成された固定櫛歯電極302および台座301の表面にはそれぞれ酸化膜310が
形成されている。酸化膜310の帯電処理を行う際には、第1の実施の形態の場合と同様
に、SiO2層である酸化膜310が半導体化する温度までヒータ等を用いて加熱する。そ
して、酸化膜310が半導体化したならば、バイアス電圧V1(10〜200V)を印加
した状態で、半導体化した酸化膜310が絶縁性を回復する温度まで冷却する。図10に
示すように、Si層のエッジ部は熱酸化によりR形状となるので、バイアス電圧印加時の電
場集中が緩和され、絶縁破壊強度が大きくなる。そのため、固定櫛歯電極302と可動櫛
歯電極303とのギャップ寸法(2μm程度)が小さいのにも拘わらず、比較的高いバイ
アス電圧を印加することができる。
帯電処理を行う場合、図11に示すようにバイアス電圧V1を、固定櫛歯電極302と
可動櫛歯電極303および台座301との間に印加する。まず、振動発電デバイス300
を、SiO2から成る酸化膜310が半導体化する温度(500〜700℃)まで加熱する
。そして、固定櫛歯電極302のSi/SiO2界面306を挟んで電気二重層が形成されるよ
うに(図10参照)、バイアス電圧V1を印加する。
電極303がオーバーラップしている部分の断面(図11の紙面に平行な断面)を、模式
的に示したものである。なお、以下では、固定櫛歯電極302に形成された酸化膜は符号
310aを付し、可動櫛歯電極303に形成された酸化膜には符号310bを付す。また
、固定櫛歯電極302のSi層には符号311aを付し、可動櫛歯電極303のSi層には符
号311bを付す。バイアス電圧を印加すると、Si/SiO2界面306における電気二重層
の電位差は徐々に上昇し、やがて電圧V1となる(数秒〜数分)。
ているので、SiO2層内はほぼ同電位となる。そのため、Si/SiO2界面306全体におい
て均一な電荷密度となり、櫛歯先端まで電気二重層が形成される。なお、Si/SiO2界面3
06全体に電気二重層が形成されると、抵抗率の低下したSiO2層によって静電遮蔽され
ることになるので、電気二重層の外側に電場が出なくなる。それによって櫛歯電極間の静
電力はゼロとなるため、これを観測することにより帯電処理完了の目安とすることができ
る。
の形態の図5に対応するものである。Si/SiO2界面306を挟んで電気二重層を構成する
面電荷Q5,Q6が、固定櫛歯電極302の酸化膜310aおよびSi層311aに形成さ
れる。面電荷Q4は、可動櫛歯電極303のSi層311bに帯電する電荷を示す。E3は
、可動櫛歯電極303の酸化膜310b内に形成される電場である。E5,E6は、固定
櫛歯電極302の酸化膜310a内に形成される電場である。E4は、櫛歯電極302,
303間のギャップ空間Gに形成される電場である。
域、酸化膜310aとギャップ空間Gとの界面を含む領域、面電荷Q5を含む領域、およ
び面電荷Q6を含む領域のそれぞれにガウスの法則を適用すると、次式(13)〜(17
)が得られる。なお、Sは、図12の領域Cを切り出した場合の断面積である。ε0,ε1
はギャップ空間Gおよび酸化膜(SiO2)の誘電率である。
ε1・E3・S=Q4 …(13)
(ε0・E4−ε1・E3)・S=0 …(14)
(ε1・E5−ε0・E4)・S=0 …(15)
(ε1・E6−ε1・E5)・S=Q5 …(16)
−ε1・E6・S=Q6 …(17)
1,g2,g3に関して次式(18)が成立する。
g1・E3+g2・E4+g3・E5+d・E6=−V …(18)
得られる。
Q6=−Q5−Q4 …(19)
20)が得られる。
Q5=−[(d+g1+g2(ε1/ε0)+g3)/d]Q4
−ε1・S・V/d …(20)
れるので、バイアス電圧印加状態においてはV=V1、Q4=0となる。式(20)にお
いてV=V1、Q4=0とすると、面電荷Q5は次式(21)で表される。印加電圧V1
がV1>0である場合は、Q5<0となる。また、式(19)でQ4=0とすると、Q6
=−Q5となる。このように、図14の場合、Si/SiO2界面306に電気二重層が形成さ
れ、この電気二重層に電圧V1が集中している。
Q5=−ε1・S・V1/d …(21)
イアス電圧V1を印加した状態で温度をSiO2が絶縁性を取り戻す温度(例えば、常温)
まで下げると、酸化膜310aに帯電している面電荷Q5は図14で示す位置に固定化さ
れる。その後、図15に示すように固定櫛歯電極302のSi層311aと可動櫛歯電極3
03のSi層311bとを接続すると、それらの間の電位差(図14参照)によってSi層3
11aからSi層311bへと電荷(Q4)が移動して電位差が減少する。電位差がV1か
らVまで変化した場合、そのときの電荷の移動量は次式(22)で表される。最終的に図
15に示すように電位差がゼロになると、面電荷Q4は、次式(23)のようになる。
Q4=−ε0・S・(V1−V)/[g’+d・(ε0/ε1)] …(22)
ただし、g’=g2+(g1+g3)・(ε0/ε1)
Q4=−ε0・S・V1/[g’+d・(ε0/ε1)] …(23)
ら、図15におけるギャップ空間Gの電場E4は次式(24)で表される。これは、エレ
クトレット(面電荷Q5)が無い場合に電圧V1を印加したときに形成される電場と一致
する。
E4=−V1/[g’+d・(ε0/ε1)] …(24)
次に、振動発電デバイス300の発電動作について説明する。図16は、固定櫛歯電極
302に対して可動櫛歯電極303がスライド移動して、櫛歯同士のオーバーラップがゼ
ロとなった状態(c)と、櫛歯の半分がオーバーラップした状態(b)と櫛歯の全体がオ
ーバーラップした状態(a)とを模式的に示したものである。これは、低インピーダンス
極限の負荷320を接続した場合に相当し、式(22)において、面積S(オーバーラッ
プ面積に相当)が変化することによって面電荷Q4の電荷量が変化することに対応してい
る。なお、ここでは説明を簡単にするために、面電荷Q5に示すマイナス符号1つを電荷
量−qとし、面電荷Q4,Q6に示すプラス符号1つを電荷量+qとみなして電荷量の変
化を説明する。
層311aの電位と可動櫛歯電極303のSi層311bの電位とは等しくなっている。す
なわち、電位差V=0である。そのため、負荷320には電流は流れない。このとき、面
電荷Q6の電荷量は+6q、面電荷Q5の電荷量は−8q、面電荷Q4の電荷量は+2q
となっている。
して、櫛歯のオーバーラップ面積が半分に減少した状態を示す。オーバーラップ面積の減
少に伴って面電荷Q4の電荷量が+2qから+qに減少し、面電荷Q6の電荷量が+6q
から+7qに増加する。その結果、可動櫛歯電極303のSi層311bから固定櫛歯電極
302のSi層311aへ電流Iが流れる。
共に面電荷Q4の電荷量が減少する。そして、状態(c)のようにオーバーラップ面積が
ゼロとなると、面電荷Q4の電荷量はゼロとなり、面電荷Q6の電荷量は+8qとなる。
示した状態(a)〜(c)が、(a)→(b)→(c)→(b)→(a)→(b)→・・
・のように繰り返され、交流電流が負荷320に流れる。なお、負荷320として高イン
ピーダンス極限の負荷を接続した場合には、面電荷Q4の電荷量が変化することなくオー
バーラップ面積が変化するので、電位差Vが変化することになる。一般に、負荷インピー
ダンスを調整することにより、取り出す電力の最大化が図られる。
第3の実施の形態は、MEMSシャッタの櫛歯型アクチュエータに、第1の実施の形態
のエレクトレット素子を適用したものである。図17は本実施の形態のMEMSシャッタ
400の概略構成を示す図である。なお、図8に示した振動発電デバイス300と同様の
構成要素には同一の符号を付した。すなわち、MEMSシャッタ400はSOI基板を加
工することにより形成され、矩形リング形状の台座301に固定された固定櫛歯電極30
2、弾性支持部305によって台座301に固定された可動櫛歯電極303を備えている
。固定櫛歯電極302および可動櫛歯電極303は、櫛歯型アクチュエータを構成してい
る。可動櫛歯電極303には開口404aが形成されたシャッタ部404が設けられてい
る。
ータ駆動用の電圧が印加される。制御部402は、電圧源401の印加電圧Vを制御して
、シャッタ部404が設けられた可動櫛歯電極303を矢印Rの方向に移動させる。シャ
ッタ部404は光路上に配置されており、可動櫛歯電極303の移動によりシャッタ部4
04の開口404aが光路中に配置されると、光線がシャッタ部404を通過する。一方
、シャッタ部404の非開口領域(遮蔽領域)が光路中に配置されることで、光線がシャ
ッタ部404により遮断される。
、固定櫛歯電極302へのエレクトレットの形成方法も、上述した第2の実施の形態と同
様であり、ここでは説明を省略する。
図18〜20は櫛歯型アクチュエータの駆動動作を説明する図である。図18は電圧源
401の印加電圧VがV=0の場合を示す。図18において、(a)は可動櫛歯電極30
3に作用する力F1,F2を示し、(b)は印加電圧Vと電場E4との関係を示す図であ
る。印加電圧V=0の場合、Si層311aとSi層311bとは同電位となり、図15,1
6に示す場合と同じ状態となっている。固定櫛歯電極302と可動櫛歯電極303との間
のギャップ空間Gには、前述した式(24)で表される電場E4が形成される。この電場
E4によって、可動櫛歯電極303には、固定櫛歯電極302の櫛歯間に引き込まれるよ
うな図示右向きの力F1が作用する。
るように移動すると、図18の(a)に示すように弾性支持部305が変形する。その結
果、弾性支持部305の弾性力により、図示左側に引き戻すような力F2が可動櫛歯電極
303に作用する。可動櫛歯電極303は、力F1と力F2とが釣り合う位置で停止する
。
の電場E4は、前述した式(22)に式(13)、(14)を適用して得られる次式(2
5)で表される。式(24),(25)から分かるように、図19における電場E4の強
さは、印加電圧V=0の場合よりも弱くなる。その結果、可動櫛歯電極303の固定櫛歯
電極302方向への吸引する静電力F1が小さくなり、可動櫛歯電極303は、図19の
(a)に示すように、静電力F1が弾性支持部305の弾性力F2と釣り合う位置まで図
示左方向に移動する。
E4=−(V1−V)/[g’+d・(ε0/ε1)] …(25)
面電荷Q6との電荷量が等しくなり、この電気二重層における電位差はV1と等しくなる
。その結果、ギャップ空間Gの電場E4はゼロとなり、固定櫛歯電極302と可動櫛歯電
極303との間の静電力F1もゼロになる。よって、図20に示すように弾性支持部30
5の変形もゼロとなる。
可動櫛歯電極303をスライド駆動することで、シャッタ部404によるシャッタ開閉を
行うことができる。また、図18〜20に示したように、櫛歯電極にエレクトレットを組
み込むことにより、印加電圧V=0においてギャップ空間Gの電場E4の強さが最大とな
る。
。そのため、エレクトレットを使用せず印加電圧Vだけで櫛歯アクチュエータを駆動する
構成の場合には、印加電圧Vと静電力F1との関係は、図21のラインL1で示すような
二次曲線となる。一方、本実施の形態のようにエレクトレットを形成した櫛歯アクチュエ
ータの場合、印加電圧Vと静電力F1との関係はラインL2のようになる。ラインL2は
、ラインL1をエレクトレットの帯電電圧V1に相当する分だけ横軸正の方向に移動した
ラインとなっている。そのため、等しい印加電圧ΔVに対して、エレクトレット有りの場
合の静電力ΔFbは、エレクトレット無しの場合の静電力ΔFaの場合よりも大きくなる
。すなわち、エレクトレットを形成した場合には、外部バイアス電圧のみの構成に比べて
大きな静電力を得ることができる。
02の表面に形成されたSiO2層201と、SiO2層201におけるSi層202との界面の
近傍に形成されたエレクトレットと、を備える。エレクトレットを構成する電荷はSi/SiO
2界面付近に固定されるので、SiO2層201が保護膜として機能し、エレクトレットの
寿命を向上させることができる。
状態となる第1の温度(約500〜700℃)に維持しつつ、Si層202とSiO2層20
1との間に電圧を印加し、さらに、電圧を印加した状態で、SiO2層201が形成されたS
i層202を、前記第1の温度からSiO2層201が絶縁性を回復する第2の温度(例えば
、300℃以下程度の温度)まで変化させることにより形成される。
されるので、図8に示すような櫛歯電極の櫛歯側面のように狭ギャップ部位や、密閉空間
に配置された電極であっても、容易にエレクトレットを形成することができる。狭ギャッ
プ部位へのエレクトレット形成が容易となることから、ギャップ寸法をより小さく設計す
ることが可能となり、発電デバイスやアクチュエータとしての性能が向上する。
クトレット形成処理)の際に特別な工夫をしなくても、均一な電荷密度で帯電させること
ができる。また、図3に示すように電気二重層を形成して帯電を行わせるので、界面を挟
んで帯電する電荷間のギャップが非常に小さく、小さな電位でも大きな電荷密度を得るこ
とができる。
歯電極303を備え、固定櫛歯電極302はエレクトレット素子で構成されている。そし
て、可動櫛歯電極303が移動することにより、すなわち可動櫛歯電極303が固定櫛歯
電極302に対して変位することにより、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間の
変換を行う電気機械変換器(例えば、振動発電デバイス300)として機能する。
可動櫛歯電極303側にエレクトレットを形成する構成としても良い。さらに、一対の櫛
歯電極の一方を可動とする構成に限らず、一対の櫛歯電極の両方が移動するような構成と
しても良い。
を駆動するためのアクチュエータや、エレクトレットコンデンサマイクロフォン等がある
。上述した実施の形態のエレクトレット素子の場合、特許文献3に記載のエレクトレット
のようにアルカリ金属のイオンを含む構成ではないので、CMOSデバイスとの共存が可
能であり、例えば、図17の制御部402の一部の回路素子を台座301のSi層(デバイ
ス層)に形成することが可能となる。このような回路素子としては、例えば、駆動回路用
のトランジスタ、マイクやセンサの増幅回路用のFETや抵抗、発電素子用の整流用ダイ
オードなどがある。
が、ギャップ距離が変化する平行平板構造としても良い。これにより、エレクトレット素
子を、平行平板型の振動発電デバイスや、コンデンサマイクに対して利用することができ
る。
デバイス全体を加熱して帯電処理を行っているが、エレクトレットの形成に関係する領域
(帯電させたいSiO2層と電流を流したいSi層)のみを局所的にレーザー等で加熱しても
良い。これにより、増幅回路を内蔵したエレクトレットマイクのようなデバイスにも応用
が可能となる。
事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
04,205,306,308…Si/SiO2界面、300…振動発電デバイス、301…台
座、302…固定櫛歯電極、303…可動櫛歯電極、304…錘、305…弾性支持部、
310,310a,310b…酸化膜、320…負荷、400…MEMSシャッタ、40
1…電圧源、402…制御部、404…シャッタ部、G…ギャップ空間
請求項2の発明に係る電気機械変換器は、請求項1に記載のエレクトレット素子で構成された第1電極と、前記第1電極と対向配置され、前記第1電極に対して相対的に変位可能な第2電極と、を備え、前記第1および第2電極が相対変位することにより電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間の変換を行う。
請求項3の発明は、請求項2に記載の電気機械変換器において、前記Si層はSi基板で構成され、前記電気機械変換器を駆動するための回路素子の少なくとも一部が、前記Si基板に形成されている。
請求項4の発明は、請求項2または3に記載の電気機械変換器において、外力の作用により前記第1および第2電極の一方の電極が他方の電極に対して移動して発電を行う。
請求項5の発明は、請求項2または3に記載の電気機械変換器において、前記第1電極が設けられた静止部と、前記第2電極が設けられた可動部と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧源と、前記電圧源による印加電圧を制御して前記可動部を駆動する制御部と、を備える。
請求項6の発明は、エレクトレット素子を製造する方法であって、SiO2層が形成されたSi層を、前記SiO2層が半導体状態となる第1の温度に維持しつつ、前記Si層と前記SiO2層との間に電圧を印加し、前記電圧を印加した状態で、前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記第1の温度から前記SiO2層が絶縁性を回復する第2の温度まで変化させ、前記SiO 2 層における前記Si層との界面の近傍に前記エレクトレット素子のエレクトレットを形成し、前記エレクトレットを構成する面電荷は前記界面付近に固定され、前記SiO 2 層が前記エレクトレットの保護膜として機能する。
Claims (6)
- Si層と、
前記Si層の表面に形成されたSiO2層と、
前記SiO2層における前記Si層との界面の近傍に形成されたエレクトレットと、を
備えるエレクトレット素子。 - 互いに対向配置され、少なくとも一方が移動可能な第1および第2電極を備え、
前記第1電極は請求項1に記載のエレクトレット素子で構成され、
前記第1および第2電極の少なくとも一方が移動することにより、電気的エネルギーと
機械的エネルギーとの間の変換を行う電気機械変換器。 - 請求項2に記載の電気機械変換器において、
前記Si層はSi基板で構成され、
前記電気機械変換器を駆動するための回路素子の少なくとも一部が、前記Si基板に形
成されている電気機械変換器。 - 請求項2または3に記載の電気機械変換器において、
外力の作用により前記第1および第2電極の少なくとも一方の電極が移動して発電を行
う電気機械変換器。 - 請求項2または3に記載の電気機械変換器において、
前記第1電極が設けられた静止部と、
前記第2電極が設けられた可動部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧源と、
前記電圧源による印加電圧を制御して前記可動部を駆動する制御部と、を備える電気機
械変換器。 - 請求項1に記載のエレクトレット素子を製造する方法であって、
前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記SiO2層が半導体状態となる第1の
温度に維持しつつ、前記Si層と前記SiO2層との間に電圧を印加する第1の工程と、
前記電圧を印加した状態で、前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記第1の温
度から前記SiO2層が絶縁性を回復する第2の温度まで変化させる第2の工程と、を有
するエレクトレット素子の製造方法。
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JP2008141171A (ja) * | 2006-11-10 | 2008-06-19 | Sanyo Electric Co Ltd | エレクトレット素子および静電動作装置 |
JP2008277473A (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Sanyo Electric Co Ltd | エレクトレット素子および静電動作装置 |
JP2010119280A (ja) * | 2008-11-14 | 2010-05-27 | Tohoku Univ | エレクトレット振動発電整流装置および振動発電整流装置の製造方法 |
JP2013013256A (ja) * | 2011-06-29 | 2013-01-17 | Aoi Electronics Co Ltd | エレクトレット膜およびこれを用いた振動発電素子 |
JP5627130B2 (ja) * | 2012-08-30 | 2014-11-19 | アオイ電子株式会社 | 正イオンを含有したエレクトレットの形成方法 |
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JP2008141171A (ja) * | 2006-11-10 | 2008-06-19 | Sanyo Electric Co Ltd | エレクトレット素子および静電動作装置 |
JP2008277473A (ja) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Sanyo Electric Co Ltd | エレクトレット素子および静電動作装置 |
JP2010119280A (ja) * | 2008-11-14 | 2010-05-27 | Tohoku Univ | エレクトレット振動発電整流装置および振動発電整流装置の製造方法 |
JP2013013256A (ja) * | 2011-06-29 | 2013-01-17 | Aoi Electronics Co Ltd | エレクトレット膜およびこれを用いた振動発電素子 |
JP5627130B2 (ja) * | 2012-08-30 | 2014-11-19 | アオイ電子株式会社 | 正イオンを含有したエレクトレットの形成方法 |
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