JP2020137337A

JP2020137337A - 振動発電素子および振動発電素子の製造方法

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Publication number: JP2020137337A
Application number: JP2019030950A
Authority: JP
Inventors: 久幸芦澤; Hisayuki Ashizawa; 裕幸三屋; Hiroyuki Mitsuya
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-31
Also published as: WO2020170988A1; US20210331913A1; CN113316891A; EP3896837A4; EP3896837A1

Abstract

【課題】固定電極と可動電極との間のギャップをより小さくすることができる振動発電素子の提供。【解決手段】振動発電素子１は、絶縁層１０ｂを介してＳｉ層１０ａとＳｉ層１０ｃとが設けられたＳＯＩ基板１０を加工して形成され、Ｓｉ層１０ａに形成された固定電極３と、Ｓｉ層１０ｃに形成され、絶縁層１０ｂに形成されたギャップ空間Ｇを介して固定電極３と対向し、固定電極３に対して相対移動する可動電極５とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、振動発電素子および振動発電素子の製造方法に関する。

近年、環境振動を利用したエナジーハーベスティング技術の一つとして、ＭＥＭＳ（micro electro- mechanical system）加工技術を用いた振動発電素子により発電を行うものが知られている。こうした用途の振動発電素子では、小型で高い発電効率を得るために、エレクトレットを用いた静電型の振動発電素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の振動発電素子では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の活性層に櫛歯構造の可動電極と固定電極を形成し、弾性支持部により支持された可動電極が振動することにより発電を行っている。このような振動発電素子では、可動電極と固定電極とのギャップ（静電ギャップ）が小さいほど静電容量が増加し、発電電力の増大に有利である。また、ギャップが小さいほど電気的なダンピングが大きくなり、発電素子のＱ値を下げることができるが、ランダム振動による発電においてはＱ値が小さい方が好ましい。

特開２０１８−８８７８０号公報

しかしながら、特許文献１の振動発電素子では、同一Ｓｉ層である活性層をエッチングにより溝加工して可動電極と固定電極との間のギャップを形成しているので、ＭＥＭＳ加工のアスペクト比限界によりギャップ寸法の低減に限界があった。例えば、活性層の厚さが数百μｍの場合には、１０μｍ程度がギャップ寸法の限界である。

本発明の態様による振動発電素子は、絶縁層を介して第１Ｓｉ層と第２Ｓｉ層とが設けられた基板を加工して形成される振動発電素子であって、前記第１Ｓｉ層に形成された固定電極と、前記第２Ｓｉ層に形成され、前記絶縁層に形成されたギャップ空間を介して前記固定電極と対向し、前記固定電極に対して相対移動する可動電極とを備える。
本発明の態様による振動発電素子の製造方法は、絶縁層を介して第１Ｓｉ層と第２Ｓｉ層とが設けられた基板を加工して形成される振動発電素子の製造方法であって、前記第１Ｓｉ層に固定電極を形成し、前記第２Ｓｉ層に前記固定電極と対向する可動電極を形成し、前記固定電極と前記可動電極との間に介在する前記絶縁層を削除する。

本発明によれば、固定電極と可動電極との間のギャップをより小さくすることができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る振動発電素子の概略構成を示す平面図である。図２は、振動発電素子のＡ-Ａ断面およびＢ-Ｂ断面を示す図である。図３は、可動電極が変位した状態を示す図である。図４は、振動発電素子の製造方法の一例を示す図である。図５は、振動発電素子の製造方法の一例を示す図であり、図４に続く工程を示す。図６は、振動発電素子の製造方法の一例を示す図であり、図５に続く工程を示す。図７は、振動発電素子の製造方法の一例を示す図であり、図６に続く工程を示す。図８は、比較例を示す図である。図９は、停止状態における固定櫛歯と可動櫛歯との重なりを説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る振動発電素子１の概略構成を示す平面図である。振動発電素子１は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて一般的なＭＥＭＳ加工技術により形成される。ＳＯＩ基板（以下では、ＳＯＩ基板１０と呼ぶ）は、ハンドル層や支持層などと称されるＳｉ層（以下では、Ｓｉ層１０ａと呼ぶ）と、ＢＯＸ層などと称されるＳｉＯ_２層（以下では、絶縁層１０ｂと呼ぶ）と、デバイス層や活性層などと称されるＳｉ層（以下では、Ｓｉ層１０ｃと呼ぶ）とから成る３層構造の基板である。

一般に、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１０ａ，１０ｃの厚さは１００μｍ〜５００μｍ程度であり、絶縁層１０ｂ（ＳｉＯ_２層）の厚さは数μｍ程度（例えば、１μｍ〜３μｍ）である。以下では、一例としてＳｉ層１０ａが４００μｍ、Ｓｉ層１０ｃが１００μｍ、絶縁層１０ｂが１μｍであるとして説明する。

振動発電素子１は、支持部２と、固定電極３と、可動電極５と、弾性支持部６とを備えている。弾性支持部６には接続電極６０が形成されており、支持部２の裏面側と接続電極６０との間に負荷７が接続されている。なお、以下では、図１のように設定されたｘｙｚ直交座標系を用いて説明する。

固定電極３は支持部２に設けられ、支持部２および固定電極３はＳＯＩ基板１０のＳｉ層１０ａに形成されている。可動電極５は４つの弾性支持部６により弾性支持されている。各弾性支持部６の一端は可動電極５に接続され、他端は支持部２に固定されている。可動電極５および弾性支持部６はＳＯＩ基板１０のＳｉ層１０ｃに形成されている。上述した弾性支持部６の他端は、ＳＯＩ基板１０の絶縁層１０ｂを介してＳｉ層１０ａの支持部２に固定されている。

本実施の形態では、固定電極３および可動電極５は櫛歯構造の電極とされている。固定電極３はｙ方向に細長い固定櫛歯３０を複数備え、可動電極５もｙ方向に細長い可動櫛歯５０を複数備えている。平面視において、固定櫛歯３０および可動櫛歯５０はｘ方向に交互に配置されている。弾性支持部６により弾性支持された可動電極５は、振動発電素子１に外力が加わると矢印Ｒで示すようにｘ方向に振動する。

図２は振動発電素子１の断面を示す図であり、図２（ａ）はＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）はＢ-Ｂ断面図である。図２（ａ）のＡ−Ａ断面図は固定櫛歯３０および可動櫛歯５０の部分を通る断面図であり、Ｓｉ層１０ａに形成された固定櫛歯３０の図示上方（ｚ軸プラス方向）に、ギャップ寸法ｇを隔てて可動櫛歯５０および弾性支持部６が配置されている。すなわち、可動電極５は、絶縁層１０ｂに形成されたギャップ空間Ｇを介して固定電極３と対向している。可動櫛歯５０および弾性支持部６はＳｉ層１０ｃに形成され、ギャップ空間Ｇは固定電極３（Ｓｉ層１０ａ）と可動電極５（Ｓｉ層１０ｃ）との間の絶縁層１０ｂを除去することにより形成される。そのため、ギャップ寸法ｇは、Ｓｉ層１０ａとＳｉ層１０ｃとの間に介在する絶縁層１０ｂの厚さ寸法Ｌ０と同一である。

図２（ａ）に示す可動櫛歯５０（可動電極５）は、前述したように下側の固定櫛歯３０（固定電極３）に対して図示左右方向（ｘ方向）に振動する。なお、図２（ａ）の固定櫛歯３０の右側側面Ｓ１のｘ方向位置と可動櫛歯５０の左側側面Ｓ２のｘ方向位置とは同一に設定されているが、図１や図２では若干の隙間を設けて図示している。

図２（ｂ）のＢ-Ｂ断面図は、弾性支持部６の他端（支持部２に固定されている部分）を通る断面図である。弾性支持部６の他端は、ＳＯＩ基板１０の絶縁層１０ｂ（ＳｉＯ_２層）を介してＳｉ層１０ａに形成された支持部２に固定されている。

図１は可動電極５が停止している中立状態を示したものであったが、図３は可動電極５がｘ軸マイナス方向にΔｘだけ変位した状態を示す図である。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。可動電極５が停止している状態では、平面視における固定櫛歯３０と可動櫛歯５０との重なりはゼロである。

一方、図３に示すように可動電極５がｘ軸マイナス方向にΔｘ変位すると、平面視における固定櫛歯３０と可動櫛歯５０との重なりの面積Ｓは、Ｓ＝Ｌ×Δｘとなる。重なり領域は全体で４か所あるので、重なり面積の増加は全体で４Ｓとなる。重なり領域の面積がＳの場合の静電容量ＣはＣ＝ε×Ｓ/ｇであるので、可動電極５の変位Δｘにより固定櫛歯３０と可動櫛歯５０との間の静電容量が４Ｃ＝４×ε×Ｓ/ｇだけ増加することになる。なお、εは固定櫛歯３０と可動櫛歯５０との間の媒体（この場合は空気）の誘電率である。

振動発電素子１では、このような可動電極５の振動による静電容量の変化により発電が行われる。発電量は静電容量の変化に依存するので、ギャップ寸法ｇが小さいほど大きな発電量を得ることができる。本実施の形態では、ギャップ寸法ｇはＳｉ層１０ａとＳｉ層１０ｃとの間に設けられた絶縁層１０ｂの厚さと同一であるので、上述した特許文献１に記載の振動発電素子のように同一のＳｉ層で固定電極と可動電極とを形成する構成の場合と比べ、固定電極と可動電極との間のギャップ寸法をより小さく設定することが、容易に可能となる。

（振動発電素子１の製造方法）
図４〜図７は振動発電素子１の製造方法の一例を示す図である。なお、図４〜図７に示す断面図は、図１のＣ−Ｃ断面を示している。図４（ａ）に示す工程では、ＳＯＩ基板１０の表裏両面に、ＬＰ−ＣＶＤによりＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２を成膜する。ＳＯＩ基板１０は、Ｓｉ層１０ａと、絶縁層１０ｂと、Ｓｉ層１０ｃの３層から成る。

図４（ｂ）に示す工程では、接続電極６０を形成する領域のＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２を残すためのレジストマスクをＳＯＩ基板１０の表面側（Ｓｉ層１０ｃ側の表面）に形成して、ＳＦ_６、ＣＦ_４を用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によりＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２をエッチングする。その結果、図４（ｂ）のように、Ｓｉ層１０ｃの表面にＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２のパターンが形成される。

図４（ｃ）に示す工程では、基板の表裏両面にＡｌ蒸着膜２０３を形成した後に、Ａｌ蒸着膜２０３をエッチングするためのレジストマスク（不図示）を形成し、そのレジストマスクを用いてＳｉ層１０ａおよびＳｉ層１０ｃをエッチングするためのＡｌマスクパターンを形成する。

図５（ａ）に示す工程では、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１０ｃを、その表面に形成されたＡｌ蒸着膜２０３によるＡｌマスクパターンを用いて、ＤｅｅＰ−ＲＩＥによりエッチングする。

図５（ｂ）に示す工程では、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層１０ｃ側に保護用のアルミ蒸着膜２０４およびレジスト膜２０５を形成する。そして、Ｓｉ層１０ａの表面に形成されたＡｌ蒸着膜２０３によるＡｌマスクパターンを用いて、Ｓｉ層１０ａの表面のＳｉＮ膜２０１およびＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２をエッチングする。

図５（ｃ）に示す工程では、Ｓｉ層１０ａ上に形成されたＳｉＮ膜２０１，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２およびＡｌ蒸着膜２０３によるマスクパターンを用いて、ＤｅｅＰ−ＲＩＥによりＳｉ層１０ａをエッチングする。

図６（ａ）に示す工程では、ＳＰＭ（Sulfuric acid Peroxide Mixture）洗浄により、基板上のレジスト膜２０５，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０２およびＡｌ蒸着膜２０３，２０４を除去する。

図６（ｂ）に示す工程では、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウェットエッチングにより、露出している絶縁層１０ｂ（ＳｉＯ_２）を除去する。ＤｅｅＰ−ＲＩＥにより形成されたＳｉ層１０ａおよびＳｉ層１０ｃの貫通孔からＢＨＦにより絶縁層１０ｂがエッチングされ、固定櫛歯３０同士および可動櫛歯５０同士がそれぞれ分離される。

図６（ｃ）に示す工程では、エレクトレット膜を形成するために、Ｓｉ層１０ａおよびＳｉ層１０ｃの表面にアルカリ金属イオン（例えば、カリウムイオン）を含むＳｉＯ_２膜２０６を形成する。なお、図２では、エレクトレットを形成するためのアルカリ金属イオンを含むＳｉＯ_２膜２０６については、図示を省略した。図７に示す工程では、ＣＦ_４ガスを用いたＲＩＥにより、Ｓｉ層１０ａおよびＳｉ層１０ｃに形成したＳｉＮ膜２０１を除去する。Ｓｉ層１０ｃのＳｉＮ膜２０１を除去した領域が図１に示した接続電極６０を構成する。支持部２の裏面側にもＳｉ層１０ｃが露出しており、この露出している面に図１の負荷７の配線が接続される。

上述した加工手順により、エレクトレット未形成の振動発電素子１のＭＥＭＳ加工体が形成される。その後、周知のエレクトレット形成方法（例えば、特許５６２７１３０号公報等参照）により、固定電極３および／または可動電極５にエレクトレットを形成する。なお、図１に示した振動発電素子１では、可動電極５のＳｉＯ_２膜２０６にエレクトレット帯電を行わせるようにした。

(比較例)
図８は比較例を示す図であり、固定電極と可動電極とをＳＯＩ基板のＳｉ層１０ｃ（活性層）に形成する構成の振動発電素子の一例を示したものである。図８（ａ）は振動発電素子１００の平面図であり、図８（ｂ）はＤ−Ｄ断面図である。振動発電素子１００は、支持部１２，固定電極１３ａ，１３ｂ，可動部１４，可動電極１５ａ，１５ｂおよび弾性支持部１６を備えている。負荷８は、図示左側の固定電極１３ａと図示右側の固定電極１３ｂとに接続されている。可動部１４は一対の弾性支持部１６により弾性支持され、各弾性支持部１６の他端は支持部１２に固定されている。

図８（ｂ）のＤ−Ｄ断面図に示すように、支持部１２はＳｉ層１０ａに形成され、固定電極１３ａおよび可動電極１５ａはＳｉ層１０ｃに形成されている。同様に、固定電極１３ｂおよび可動電極１５ｂもＳｉ層１０ｃに形成されている。支持部１２と固定電極１３ａおよび可動電極１５ａとのｚ方向の間隔は、ＳＯＩ基板の絶縁層の厚さ寸法Ｌ０と同一である。

固定電極１３ａ，１３ｂおよび可動電極１５ａ，１５ｂはそれぞれ櫛歯電極を構成しており、固定電極１３ａ，１３ｂにはｘ方向に細長い固定櫛歯１３０がｙ方向に複数配置され、可動電極１５ａ，１５ｂにはｘ方向に細長い可動櫛歯１５０がｙ方向に複数配置されている。ｙ方向に交互に配置された固定櫛歯１３０および可動櫛歯１５０は隙間を介して互いに噛合し、固定櫛歯１３０の側面と可動櫛歯１５０の側面とがギャップｇ１を介して対向している。

振動発電素子１００に外力が加わると、弾性支持部１６が変形して可動部１４が矢印Ｒで示すようにｘ方向に振動する。可動部１４が振動すると固定電極１３ａ，１３ｂと可動電極１５ａ，１５ｂとの間の静電容量が変化し、発電が行われる。互いに噛合する固定櫛歯１３０と可動櫛歯１５０との間の静電容量はギャップｇ１が小さいほど大きいので、発電量もギャップｇ１が小さいほど大きくなる。

固定櫛歯１３０と可動櫛歯１５０との間のギャップｇ１は、Ｓｉ層１０ｃをＤｅｅＰ−ＲＩＥによりエッチングすることにより形成される。その場合、ギャップｇ１のアスペクト比（＝Ｌ１/ｇ１）が大きくなると（例えば、１０を超えると）、正確なエッチング加工が難しくなる。Ｓｉ層１０ｃの厚さＬ１は１００μｍ〜数１００μｍ程度なので、ギャップｇ１は少なくとも１０μｍ程度は必要となる。このように、ギャップｇ１を小さくする場合には加工の限界があり、それが容量増大（すなわち発電量増大）の阻害要因の一つであった。また、振動発電素子１００の場合にはアスペクト比が大きいので電極側面のエッチングも無視できなくなり、ギャップｇ１を均一に管理するのが難しい。

一方、本実施の形態の振動発電素子１では、固定電極３と可動電極５との間のギャップ寸法ｇは絶縁層１０ｂの厚さＬ０と同一なので、ギャップ寸法ｇを数μｍ程度と小さくすることができ、容易に発電量増大を図れると共に、ギャップ寸法ｇが均一なギャップ空間Ｇを容易に形成することができる。また、図１、２に示すように固定櫛歯３０間の隙間および可動櫛歯５０間の隙間も振動発電素子１００の電極間の隙間よりも大きいのでエッチング加工がしやすい。

図９は、停止状態における固定櫛歯３０と可動櫛歯５０との重なり状況、すなわち、平面視で見た場合の櫛歯の重なりを説明する断面図である。本実施の形態では、図９（ａ）に示すように、固定櫛歯３０の側面Ｓ１のｘ方向位置と可動櫛歯５０の側面Ｓ２のｘ方向位置とが一致している。

図９（ｂ）に示す例では、可動櫛歯５０のｘ方向幅寸法が固定櫛歯３０間の隙間寸法よりも大きく、停止状態において可動櫛歯５０の左右両端領域が固定櫛歯３０と重なっている。このように、停止状態において可動櫛歯５０と固定櫛歯３０とに重なりがあると、櫛歯間の静電力によって、外部衝撃が加わった時に可動電極５が動き出しにくいという欠点がある。

逆に、図９（ｃ）に示す例では、可動櫛歯５０のｘ方向幅寸法が固定櫛歯３０間の隙間寸法よりも小さく、停止状態における平面視では、固定櫛歯３０の側面Ｓ１と可動櫛歯５０の側面Ｓ２との間に隙間ができている。このように、隙間がある場合には、外部衝撃が加わった時に可動電極５が動き出し易くなるが、可動櫛歯５０の振動による発電量が低下するという欠点がある。

上述した実施の形態の作用効果をまとめると以下のようになる。
（１）振動発電素子１は、図２に示すように、絶縁層１０ｂを介してＳｉ層１０ａとＳｉ層１０ｃとが設けられたＳＯＩ基板１０を加工して形成され、Ｓｉ層１０ａに形成された固定電極３と、Ｓｉ層１０ｃに形成され、絶縁層１０ｂに形成されたギャップ空間Ｇを介して固定電極３と対向し、固定電極３に対して相対移動する可動電極５とを備える。絶縁層１０ｂに形成されたギャップ空間Ｇは絶縁層１０ｂが削除された領域であるので、ギャップ寸法ｇを絶縁層１０ｂの厚さ寸法Ｌ０と同一とすることができ、Ｓｉ層をエッチングする際のアスペクト比限界とは関係なくギャップ寸法ｇを小さくすることができる。その結果、固定電極３と可動電極５との間の静電容量をより大きくすることができ、発電量の増加を図ることが可能となる。

（２）さらに、Ｓｉ層１０ｃに形成され、かつ、一端が可動電極５に接続され、他端が絶縁層１０ｂを介してＳｉ層１０ａに固定される弾性支持部６を備える。可動電極５は弾性支持部６により弾性支持され、弾性支持部６が弾性変形することにより可動電極５が固定電極３に対して振動する。

（３）図２に示した例では、固定電極３を厚いＳｉ層１０ａに形成し、可動電極５を薄いＳｉ層１０ｃに形成したが、逆に、固定電極３をＳｉ層１０ｃに形成し可動電極５をＳｉ層１０ａに形成しても良い。前者のように、固定電極３を厚いＳｉ層１０ａに形成した場合、支持部２を厚いＳｉ層１０ａで形成することができ、支持部２の剛性を高めることができる。後者のように、可動電極５を厚いＳｉ層１０ａに形成した場合、弾性支持部６も厚いＳｉ層１０ａで形成されるので、弾性支持部６の基板厚さ方向の剛性を高めることができ、静電力による可動電極５の固定電極３方向への変位を抑えることができる。

（４）固定電極３および可動電極５は、図９（ａ），９（ｃ）に示すように振動停止状態において平面視における重なりが無いのが好ましい。このような構成とすることで、外部衝撃が加わった時に、櫛歯間の静電力によって可動電極５が動き出し難くなるのを防止することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…振動発電素子１、２…支持部、３…固定電極、５…可動電極、６…弾性支持部、１０…ＳＯＩ基板、１０ａ，１０ｃ…Ｓｉ層、１０ｂ…絶縁層、３０…固定櫛歯、５０…可動櫛歯、Ｇ…ギャップ空間

Claims

絶縁層を介して第１Ｓｉ層と第２Ｓｉ層とが設けられた基板を加工して形成される振動発電素子であって、
前記第１Ｓｉ層に形成された固定電極と、
前記第２Ｓｉ層に形成され、前記絶縁層に形成されたギャップ空間を介して前記固定電極と対向し、前記固定電極に対して相対移動する可動電極とを備える、振動発電素子。
請求項１に記載の振動発電素子において、
前記第２Ｓｉ層に形成され、かつ、一端が前記可動電極に接続され、他端が前記絶縁層を介して前記第１Ｓｉ層に固定される弾性支持部を備える、振動発電素子。
請求項１または２に記載の振動発電素子において、
前記第１Ｓｉ層は前記第２Ｓｉ層より厚い、振動発電素子。
請求項１または２に記載の振動発電素子において、
前記第２Ｓｉ層は前記第１Ｓｉ層より厚い、振動発電素子。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の振動発電素子において、
前記固定電極および前記可動電極は振動停止状態において平面視における重なりが無い、振動発電素子。
絶縁層を介して第１Ｓｉ層と第２Ｓｉ層とが設けられた基板を加工して形成される振動発電素子の製造方法であって、
前記第１Ｓｉ層に固定電極を形成し、
前記第２Ｓｉ層に前記固定電極と対向する可動電極を形成し、
前記固定電極と前記可動電極との間に介在する前記絶縁層を削除する、振動発電素子の製造方法。