JP2024017551A - 振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極指および固定電極指の破損を抑制することができる振動デバイスおよび振動デバイスの製造方法を提供すること。【解決手段】振動デバイスは、支持部と、前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、前記可動部に接続され、前記第１方向に延在する可動電極指と、前記支持部に接続され、前記可動電極指と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置され、前記第１方向に延在する固定電極指と、を有し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向からの平面視で、前記可動電極指および前記固定電極指の少なくとも一方の端部は、前記第２方向の幅が先端に向かって漸減するテーパー状であり、他方と対向し前記第１方向に対して傾斜する第１傾斜面を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、振動デバイスに関する。

例えば、特許文献１には、可変容量型の振動発電素子が記載されている。この振動発電素子は、櫛歯状の固定電極を備えている固定電極部と、固定電極に噛み合う櫛歯状の可動電極を備えている可動部と、可動部に配置されている錘と、を有している。

特開２０２０－０６５３２２号公報

しかしながら、可動電極および固定電極がそれぞれ矩形であり、自由端部に直角の角部を有している。Ｙ軸方向の加速度が加わって可動電極および固定電極がＹ軸方向に撓んだ際に、可動電極の自由端部の角部が固定電極に衝突したり、固定電極の自由端部の角部が可動電極に衝突したりし、可動電極および固定電極が破損するおそれがある。

本発明の振動デバイスは、支持部と、
前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
前記可動部に接続され、前記第１方向に延在する可動電極指と、
前記支持部に接続され、前記可動電極指と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置され、前記第１方向に延在する固定電極指と、を有し、
前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向からの平面視で、
前記可動電極指および前記固定電極指の少なくとも一方の端部は、前記第２方向の幅が先端に向かって漸減するテーパー状であり、他方と対向し前記第１方向に対して傾斜する第１傾斜面を備えている。

好適な実施形態に係る振動発電素子の平面図である。 図１の振動発電素子から第２シリコン層を除去した状態の平面図である。 図１中のＡ－Ａ線断面図である。 可動電極指および第１、第２固定電極指の拡大平面図である。 可動電極指および第１、第２固定電極指の拡大断面図である。 第１、第２固定電極指がＹ軸方向に弾性変形した状態を示す平面図である。 可動部がＸ軸方向に最大変位した状態を示す平面図である。 可動部がＸ軸方向に最大変位した状態を示す平面図である。 第１、第２固定電極指がＹ軸方向に弾性変形した状態を示す平面図である。 第１、第２固定電極指がＹ軸方向に弾性変形した状態を示す平面図である。 第１、第２固定電極指がＺ軸方向に弾性変形した状態を示す断面図である。 可動電極指の変形例を示す平面図である。 第１、第２固定電極指の変形例を示す平面図である。 振動発電素子の製造工程を示すフローチャートである。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の振動デバイスを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、好適な実施形態に係る振動発電素子の平面図である。図２は、図１の振動発電素子から第２シリコン層を除去した状態の平面図である。図３は、図１中のＡ－Ａ線断面図である。図４は、可動電極指および第１、第２固定電極指の拡大平面図である。図５は、可動電極指および第１、第２固定電極指の拡大断面図である。図６は、第１、第２固定電極指がＹ軸方向に弾性変形した状態を示す平面図である。図７および図８は、それぞれ、可動部がＸ軸方向に最大変位した状態を示す平面図である。図９および図１０は、それぞれ、第１、第２固定電極指がＹ軸方向に弾性変形した状態を示す平面図である。図１１は、第１、第２固定電極指がＺ軸方向に弾性変形した状態を示す断面図である。図１２は、可動電極指の変形例を示す平面図である。図１３は、第１、第２固定電極指の変形例を示す平面図である。図１４は、振動発電素子の製造工程を示すフローチャートである。図１５ないし図２４は、それぞれ、振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。図２５は、振動発電素子の変形例を示す断面図である。

図１４を除く各図には、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。また、Ｘ軸に沿う方向すなわちＸ軸に平行な方向を第１方向としての「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に沿う方向を第２方向としての「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿う方向を第３方向としての「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。

図１ないし図３に示す振動デバイスとしての振動発電素子１は、静電誘導型の振動発電素子であり、外力によって駆動して発電する。このような振動発電素子１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２とシリコン基板９との積層体である基板１００を半導体プロセスによってパターニングすることにより製造されている。ＳＯＩ基板２は、下側に位置する第１シリコン層２Ａと上側に位置する第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂを挿入してなる基板であり、第２シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９が接合されている。

振動発電素子１は、支持部３と、支持部３に接続されているバネ部４と、バネ部４を介して支持部３に接続され、バネ部４を弾性変形させつつ支持部３に対して第１方向であるＸ軸方向に変位する可動部５と、可動部５に接続されている可動電極６と、支持部３に接続されている固定電極としての第１、第２固定電極７、８と、を有する。このような構成の振動発電素子１では、Ｘ軸方向の外力を受けると可動部５がバネ部４を弾性変形させつつＸ軸方向に振動し、この振動によって可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量が変化することにより発電が行われる。

≪支持部３≫
支持部３は、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９との積層体から形成されており、Ｚ軸方向からの平面視で枠状をなしている。そして、この支持部３の内側にその他の各部が配置されている。支持部３の積層体１０は、第１固定電極７が接続された第１固定電極接続領域３１と、第２固定電極８が接続された第２固定電極接続領域３２とに分割されており、互いに絶縁されている。また、第１固定電極接続領域３１には、第１固定電極７と電気的に接続された端子Ｔ１が配置されており、第２固定電極接続領域３２には、第２固定電極８と電気的に接続された端子Ｔ２が配置されている。

≪可動部５≫
可動部５は、第１シリコン層２Ａから形成されており、Ｚ軸方向からの平面視で、振動発電素子１の中央部に位置している。

≪バネ部４≫
バネ部４は、第１シリコン層２Ａから形成されている。このように、バネ部４を可動部５と同じ第１シリコン層２Ａから形成することにより、可動部５の重心近くにバネ部４を配置することができ、可動部５の不要な変位を抑制することができる。また、バネ部４は、それぞれＸ軸方向に弾性変形する第１バネ部４１および第２バネ部４２を有する。第１バネ部４１は、可動部５のＸ軸方向プラス側に位置しており、可動部５のＸ軸方向プラス側の端部と支持部３とを接続している。一方、第２バネ部４２は、可動部５のＸ軸方向マイナス側に位置しており、可動部５のＸ軸方向マイナス側の端部と支持部３とを接続している。このように、第１、第２バネ部４１、４２で可動部５をＸ軸方向の両側から支持することにより、可動部５をＸ軸方向に安定して振動させることができる。

≪可動電極６≫
可動電極６は、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９との積層体１０から形成されている。また、可動電極６は、Ｚ軸方向からの平面視で、可動部５と重なっている。可動電極６を可動部５に重ねて配置することにより、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５を大きくし、その質量を高めることができる。そのため、振動発電素子１の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部５を振動させることができる。さらには、可動部５の大きさに関係なく可動電極６および第１、第２固定電極７、８を広範囲にわたって形成することができ、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量を大きくすることができる。そのため、振動発電素子１の発電量を高めることができる。

また、可動電極６は、酸化シリコン層２Ｂを介して可動部５に接合された層状の基部６０と、基部６０から上側へ突出する複数の可動電極指６１と、を有する。このような構成によれば、基部６０を介して全ての可動電極指６１を電気的に接続することができる。複数の可動電極指６１は、行列状に配置され、それぞれ、Ｘ軸方向に延在している。図示の構成では、複数の可動電極指６１がＹ軸方向に沿って櫛歯状に整列してなる列が、Ｘ軸方向に３つ並んでいる。以下では、説明の便宜上、これら３つの列のうちＸ軸方向プラス側の列を可動電極指群６１Ａとも言い、中央の列を可動電極指群６１Ｂとも言い、Ｘ軸方向マイナス側の列を可動電極指群６１Ｃとも言う。ただし、可動電極指６１の数や配置は、特に限定されない。

また、各可動電極指６１は、その下面全域において基部６０に接合されているため、両端が基部６０に固定されている。これにより、各可動電極指６１の強度が向上する。また、各可動電極指６１のＹ軸方向やＺ軸方向への弾性変形を抑制することもできる。

また、図４に示すように、Ｚ軸方向からの平面視で、各可動電極指６１の両端部は、それぞれ、先端に向けて幅（Ｙ軸方向の長さ）が漸減する両テーパー状となっている。そのため、各可動電極指６１の両端部は、それぞれ、Ｘ軸方向に対して傾斜する第１傾斜面としての一対の傾斜面６１１ａ、６１１ｂを有する。一対の傾斜面６１１ａ、６１１ｂは、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸に対して対称に形成されている。そして、傾斜面６１１ａがＹ軸方向プラス側に隣り合う第１、第２固定電極指７１、８１と対向し、傾斜面６１１ｂがＹ軸方向マイナス側に隣り合う第１、第２固定電極指７１、８１と対向している。

なお、傾斜面６１１ａ、６１１ｂのＸ軸に対する傾斜角θ１としては、特に限定されないが、例えば、４５°未満であるのが好ましい。本実施形態では、傾斜角θ１は、３０°程度に設定されている。これにより、各可動電極指６１の両端部が鋭角の突起状となり、後述する効果がより顕著となる。本実施形態では、各可動電極指６１の両端部の鋭角を６０°とした。

また、図５に示すように、各可動電極指６１は、Ｘ軸方向からの平面視で、その下端部が、下端に幅（Ｙ軸方向の長さ）が漸増する両テーパー状となっている。そのため、各可動電極指６１の下端部は、それぞれ、Ｘ軸に対して傾斜する第２傾斜面としての一対の傾斜面６１２ａ、６１２ｂを有する。一対の傾斜面６１２ａ、６１２ｂは、Ｘ軸方向からの平面視で、Ｚ軸に対して対称に形成されている。そして、Ｚ軸方向の平面視で、傾斜面６１２ａがＹ軸方向プラス側に隣り合う第１、第２固定電極指７１、８１と重なり、傾斜面６１２ｂがＹ軸方向マイナス側に隣り合う第１、第２固定電極指７１、８１と重なっている。

なお、傾斜面６１２ａ、６１２ｂのＹ軸に対する傾斜角θ２としては、特に限定されないが、例えば、６０°未満であるのが好ましい。本実施形態では、傾斜角θ２は、４５°程度に設定されている。これにより、傾斜面６１２ａ、６１２ｂの傾斜が十分に緩やかとなり、傾斜面６１２ａ、６１２ｂを第１、第２固定電極指７１、８１に重ね易くなる。

以上のような可動電極６には、エレクトレット膜ＥＬが形成されている。

≪第１、第２固定電極７、８≫
図１ないし図３に示すように、第１固定電極７および第２固定電極８は、それぞれ、シリコン基板９から形成されている。また、第１固定電極７および第２固定電極８は、それぞれ、Ｚ軸方向からの平面視で、可動部５と重なっている。また、第１、第２固定電極７、８と可動電極６との間には隙間が形成されており、これらが絶縁されている。

第１固定電極７は、Ｘ軸方向に延在し、可動電極指６１とＹ軸方向に並んで配置された複数の第１固定電極指７１を有する。具体的には、第１固定電極７は、可動電極指群６１Ａに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指７１を備えた櫛歯状の第１固定電極指群７１Ａと、可動電極指群６１Ｂに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指７１を備えた櫛歯状の第１固定電極指群７１Ｂと、可動電極指群６１Ｃに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指７１を備えた櫛歯状の第１固定電極指群７１Ｃと、を有する。可動電極指６１と第１固定電極指７１とは、静止状態（中立状態）においてＸ軸方向に所定の噛合長をもって、かつ、Ｙ軸方向に隙間Ｇを介して配置されている。

また、図４に示すように、各第１固定電極指７１は、Ｘ軸方向プラス側の端部において支持部３に連結され、Ｘ軸方向マイナス側の端部が自由端部となっている。また、Ｚ軸方向からの平面視で、各第１固定電極指７１の自由端部は、幅（Ｙ軸方向の長さ）が漸減する両テーパー状となっている。そのため、各第１固定電極指７１の自由端部は、Ｘ軸方向に対して傾斜する第１傾斜面としての一対の傾斜面７１１ａ、７１１ｂを有する。一対の傾斜面７１１ａ、７１１ｂは、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸に対して対称に形成されている。そして、傾斜面７１１ａがＹ軸方向プラス側に隣り合う可動電極指６１と対向し、傾斜面７１１ｂがＹ軸方向マイナス側に隣り合う可動電極指６１と対向している。

なお、傾斜面７１１ａ、７１１ｂのＸ軸に対する傾斜角θ３としては、特に限定されないが、例えば、４５°未満であるのが好ましい。本実施形態では、傾斜角θ３は、３０°程度に設定されている。これにより、各第１固定電極指７１の自由端部が鋭角の突起状となり、後述する効果がより顕著となる。本実施形態では、各第１固定電極指７１の自由端部の鋭角を６０°とした。

図１ないし図３に示すように、第２固定電極８は、Ｘ軸方向に延在し、可動電極指６１とＹ軸方向に並んで配置された複数の第２固定電極指８１を有する。具体的には、第２固定電極８は、可動電極指群６１Ａに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指８１を備えた櫛歯状の第２固定電極指群８１Ａと、可動電極指群６１Ｂに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指８１を備えた櫛歯状の第２固定電極指群８１Ｂと、可動電極指群６１Ｃに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指８１を備えた櫛歯状の第２固定電極指群８１Ｃと、を有する。可動電極指６１と第２固定電極指８１とは、静止状態（中立状態）においてＸ軸方向に所定の噛合長をもって、かつ、Ｙ軸方向に隙間Ｇを介して配置されている。

また、図４に示すように、各第２固定電極指８１は、Ｘ軸方向マイナス側の端部において支持部３に連結され、Ｘ軸方向プラス側の端部が自由端部となっている。また、Ｚ軸方向からの平面視で、各第２固定電極指８１の自由端部は、幅（Ｙ軸方向の長さ）が先端に向かって漸減する両テーパー状となっている。そのため、各第２固定電極指８１の自由端部は、Ｘ軸方向に対して傾斜する第１傾斜面としての一対の傾斜面８１１ａ、８１１ｂを有する。一対の傾斜面８１１ａ、８１１ｂは、Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸に対して対称に形成されている。そして、傾斜面８１１ａがＹ軸方向プラス側に隣り合う可動電極指６１と対向し、傾斜面８１１ｂがＹ軸方向マイナス側に隣り合う可動電極指６１と対向している。

なお、傾斜面８１１ａ、８１１ｂのＸ軸に対する傾斜角θ４としては、特に限定されないが、例えば、４５°未満であるのが好ましい。本実施形態では、傾斜角θ４は、３０°程度に設定されている。これにより、各第２固定電極指８１の自由端部が鋭角の突起状となり、後述する効果がより顕著となる。本実施形態では、各第２固定電極指８１の自由端部の鋭角を６０°とした。

以上、振動発電素子１の構成について簡単に説明した。このような構成の振動発電素子１では、Ｘ軸方向の力が加わると、第１、第２バネ部４１、４２を弾性変形させつつ可動部５がＸ軸方向に振動する。そして、可動部５の振動によって可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との噛合長が逆相で変化して発電が行われる。なお、本実施形態では、可動電極６にエレクトレット膜ＥＬが形成されているが、これに限定されず、第１、第２固定電極７、８に形成してもよいし、可動電極６と第１、第２固定電極７、８の両方に形成してもよい。

このような振動発電素子１では、第１シリコン層２Ａから可動部５が形成され、積層体１０から可動電極６および第１、第２固定電極７、８が形成されている。そのため、可動部５とこれら各電極６、７、８とをＺ軸方向に重ねて配置することができる。したがって、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５と各電極６、７、８とを共に大きく形成することができる。可動部５を大きくすることにより、振動発電素子１の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部５を振動させることができる。さらに、各電極６、７、８を大きくすることにより、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量を大きくすることができる。そのため、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子１となる。

次に、第１、第２固定電極指７１、８１の端部をテーパー状にする効果について説明する。例えば、図６に示すように、振動発電素子１にＹ軸方向の力が加わると、第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向に弾性変形する。これにより、第１、第２固定電極指７１、８１の自由端部が隣り合う可動電極指６１に接触するおそれがある。ここで、従来のように第１、第２固定電極指７１、８１の自由端部が矩形であると、第１、第２固定電極指７１、８１の自由端部にある角が可動電極指６１の側面に接触するため、当該部分に応力が集中し易く、第１、第２固定電極指７１、８１や可動電極指６１の破損を招くおそれが高い。

これに対して、本実施形態のように、第１、第２固定電極指７１、８１の自由端部がテーパー状であると、傾斜面７１１ｂが可動電極指６１の側面に面接触するため、従来と比較して衝突時の応力が分散され、第１、第２固定電極指７１、８１や可動電極指６１の破損を効果的に抑制することができる。特に、前述したように、傾斜面７１１ｂ、８１１ｂの傾斜角θ３、θ４が４５°未満であるため、傾斜面７１１ｂ、８１１ｂの傾斜が十分に緩やかとなり、衝突時に可動電極指６１と面接触し易くなる。そのため、第１、第２固定電極指７１、８１や可動電極指６１の破損をより効果的に抑制することができる。

なお、図６では第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向マイナス側に弾性変形した様子を示しているが、第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向プラス側に弾性変形した場合は、第１、第２固定電極指７１、８１の傾斜面７１１ａ、８１１ａが可動電極指６１の側面に面接触し、同様の効果を発揮する。

次に、可動電極指６１の端部をテーパー状にする効果について説明する。振動発電素子１では、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量変化を利用して発電を行う。そして、この容量変化が大きい程、発電量が高くなる。したがって、振動発電素子１では、図７に示すように、可動部５がＸ軸方向プラス側に最大変位したときに可動電極指６１が第２固定電極指８１と重ならず、図８に示すように、可動部５がＸ軸方向マイナス側に最大変位したときに可動電極指６１が第１固定電極指７１と重ならないことが好ましい。

しかしながら、可動部５が最大変位した状態で第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向に弾性変形してしまうと、従来では、可動電極指６１の先端面と第１、第２固定電極指７１、８１の自由端面とが衝突して、これらが突っ張り合ってしまい、可動部５の振動が阻害されたり、可動電極指６１や第１、第２固定電極指７１、８１が過度な応力を受けて破損したりするおそれが高い。

これに対して、本実施形態のように、可動電極指６１の端部がテーパー状であると、図９および図１０に示すように、傾斜面６１１ａによって第１、第２固定電極指７１、８１をいなすことができる。したがって、可動部５の振動が阻害されず、かつ、可動電極指６１や第１、第２固定電極指７１、８１の破損を効果的に抑制することができる。このように、接触による可動電極指６１や第１、第２固定電極指７１、８１の破損を抑制することにより、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との隙間Ｇを小さくして、発電量をより高めることもできる。特に、前述したように、傾斜面６１１ａの傾斜角θ１が４５°未満であるため、傾斜面６１１ａの傾斜が十分に緩やかとなり、傾斜面６１１ａで第１、第２固定電極指７１、８１をよりいなし易くなる。そのため、上述した効果がより顕著となる。

また、第１、第２固定電極指７１、８１の自由端部がテーパー状となっていることにより、傾斜面６１１ａと傾斜面７１１ｂ、８１１ｂとの摺動性が高まり、傾斜面６１１ａで第１、第２固定電極指７１、８１をよりいなし易くなる。

なお、図９および図１０では、第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向マイナス側に弾性変形した様子を示しているが、第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向プラス側に弾性変形した場合は、可動電極指６１の傾斜面６１１ｂが第１、第２固定電極指７１、８１と接触し、同様の効果を発揮する。

次に、可動電極指６１の下端部をテーパー状にする効果について説明する。例えば、振動発電素子１にＺ軸方向の力が加わると、図１１に示すように、第１、第２固定電極指７１、８１がＺ軸方向に弾性変形する。この際、第１、第２固定電極指７１、８１が過度に変形してしまうと、第１、第２固定電極指７１、８１が破損するおそれがある。本実施形態のように可動電極指６１の下端部をテーパー状とすると、変形量が少ない段階で第１、第２固定電極指７１、８１を可動電極指６１に接触させることができ、第１、第２固定電極指７１、８１の破損を効果的に抑制することができる。

以上、可動電極指６１および第１、第２固定電極指７１、８１の端部をテーパー状とすることによる効果について説明した。なお、可動電極指６１および第１、第２固定電極指７１、８１の少なくとも１つの端部がテーパー状になっていればよい。例えば、図１２に示すように、第１、第２固定電極指７１、８１の端部だけがテーパー状となっている構成では、図６で説明した効果を発揮することができる。また、例えば、図１３に示すように、可動電極指６１の端部だけがテーパー状となっている構成では、図９および図１０で説明した効果を発揮することができる。

以上、振動発電素子１の構成について説明した。このような振動デバイスとしての振動発電素子１は、前述したように、支持部３と、支持部３に対して第１方向であるＸ軸方向に変位する可動部５と、可動部５に接続され、Ｘ軸方向に延在する可動電極指６１と、支持部３に接続され、可動電極指６１とＸ軸方向に直交する第２方向であるＹ軸方向に並んで配置され、Ｘ軸方向に延在する固定電極指としての第１固定電極指７１および第２固定電極指８１と、を有する。そして、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する第３方向であるＺ軸方向からの平面視で、可動電極指６１および第１、第２固定電極指７１、８１の少なくとも一方の端部は、Ｙ軸方向の幅が先端に向かって漸減するテーパー状であり、他方と対向しＸ軸方向に対して傾斜する第１傾斜面を備えている。本実施形態では、可動電極指６１が第１傾斜面としての傾斜面６１１ａ、６１１ｂを備え、第１固定電極指７１が第１傾斜面としての傾斜面７１１ａ、７１１ｂを備え、第２固定電極指が第１傾斜面としての傾斜面８１１ａ、８１１ｂを備えている。これにより、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との接触によるこれらの破損を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、端部は、両テーパー状であり、一対の第１傾斜面を備えている。本実施形態では、可動電極指６１は、両端部に一対の傾斜面６１１ａ、６１１ｂを備え、第１固定電極指７１は、自由端部に一対の傾斜面７１１ａ、７１１ｂを備え、第２固定電極指８１は、自由端部に一対の傾斜面８１１ａ、８１１ｂを備えている。これにより、第１、第２固定電極指７１、８１がＹ軸方向のどちら側に弾性変形しても、同じ効果が得られる。そのため、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との接触によるこれらの破損を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、傾斜面６１１ａ、６１１ｂのＸ軸方向に対する傾斜角は、４５°未満である。これにより、傾斜面６１１ａの傾斜が十分に緩やかとなり、傾斜面６１１ａで第１、第２固定電極指７１、８１をよりいなし易くなる。そのため、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との接触によるこれらの破損を効果的に抑制することができる。また、傾斜面７１１ａ、７１１ｂのＸ軸方向に対する傾斜角は、４５°未満である。これにより、傾斜面７１１ａ、７１１ｂの傾斜が十分に緩やかとなり、可動電極指６１との衝突時に可動電極指６１と面接触し易くなる。そのため、第１、第２固定電極指７１、８１や可動電極指６１の破損をより効果的に抑制することができる。第２固定電極指８１の傾斜面８１１ａ、８１１ｂについても同様である。

また、前述したように、可動電極指６１および第１、第２固定電極指７１、８１は、それぞれ、第１傾斜面を備えている。そのため、図６で示した効果および図９および図１０で示した効果を共に発揮することができ、第１、第２固定電極指７１、８１や可動電極指６１の破損をより効果的に抑制することができる。

また、前述したように、可動部５がＸ軸方向プラス側に変位した状態では、可動電極指６１と第２固定電極指８１とがＹ軸方向に並ばず、可動電極指６１の第２固定電極指８１側の端部が傾斜面６１１ａ、６１１ｂを備え、第２固定電極指８１の可動電極指６１側の端部が傾斜面８１１ａ、８１１ｂを備えている。これにより、傾斜面６１１ａと傾斜面８１１ｂとの摺動性が高まり、傾斜面６１１ａで第２固定電極指８１をいなし易くなる。同様に、可動部５がＸ軸方向マイナス側に変位した状態では、可動電極指６１と第１固定電極指７１とがＹ軸方向に並ばず、可動電極指６１の第１固定電極指７１側の端部が傾斜面６１１ａ、６１１ｂを備え、第１固定電極指７１の可動電極指６１側の端部が傾斜面７１１ａ、７１１ｂを備えている。これにより、傾斜面６１１ａと傾斜面７１１ｂとの摺動性が高まり、傾斜面６１１ａで第１固定電極指７１をいなし易くなる。

また、前述したように、Ｘ軸方向からの平面視で、可動電極指６１のＺ軸方向の端部は、Ｙ軸方向に対して傾斜する第２傾斜面としての傾斜面６１２ａ、６１２ｂを備え、Ｚ軸方向からの平面視で、傾斜面６１２ａ、６１２ｂは、第１、第２固定電極指７１、８１と重なっている。これにより、変形量が少ない段階で第１、第２固定電極指７１、８１を可動電極指６１に接触させることができ、第１、第２固定電極指７１、８１の破損を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、Ｚ軸方向からの平面視で、可動電極指６１および第１、第２固定電極指７１、８１は、それぞれ、可動部５と重なって配置されている。これにより、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５と各電極指６１、７１、８１とを共に大きく形成することができる。可動部５を大きくすることにより、振動発電素子１の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部５を振動させることができる。さらに、各電極指６１、７１、８１を大きくすることにより、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との間の容量を大きくすることができる。そのため、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子１となる。

また、前述したように、振動発電素子１は、第１シリコン層２Ａと第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂが介在するＳＯＩ基板２と第２シリコン層２Ｃに接合されたシリコン基板９とを有する基板１００からなり、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９との積層体から支持部３が形成され、第１シリコン層２Ａから可動部５が形成され、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９との積層体から可動電極指６１が形成され、シリコン基板９から第１、第２固定電極指７１、８１が形成されている。これにより、後述する製造方法によって、振動発電素子１を容易に形成することができる。

次に、振動発電素子１の製造方法について説明する。振動発電素子１の製造方法は、図１４に示すように、ＳＯＩ基板２を準備するＳＯＩ基板準備工程Ｓ１と、第２シリコン層２Ｃの上面に凹部２１を形成する凹部形成工程Ｓ２と、凹部にエッチング耐性膜ＥＳを形成するエッチング耐性膜形成工程Ｓ３と、第２シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９を接合するシリコン基板接合工程Ｓ４と、第２シリコン層２Ｃおよびシリコン基板９の積層体をエッチングによりパターニングする積層体パターニング工程Ｓ５と、第１シリコン層２Ａをエッチングによりパターニングする第１シリコン層パターニング工程Ｓ６と、エッチング耐性膜ＥＳを除去するエッチング耐性膜除去工程Ｓ７と、酸化シリコン層２Ｂの一部を除去する酸化シリコン層除去工程Ｓ８と、エレクトレット膜ＥＬを形成するエレクトレット膜形成工程Ｓ９と、を含む。

≪ＳＯＩ基板準備工程Ｓ１≫
まず、図１５に示すように、ＳＯＩ基板２を準備する。前述したように、ＳＯＩ基板２は、第１シリコン層２Ａと第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂを挿入してなる基板である。なお、各層２Ａ、２Ｂ、２Ｃの厚さとしては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、第１シリコン層２Ａが３００μｍ程度であり、酸化シリコン層２Ｂが１０μｍ程度であり、第２シリコン層２Ｃが２０μｍ程度である。

≪凹部形成工程Ｓ２≫
次に、図１６に示すように、第２シリコン層２Ｃの上面に凹部２１を形成する。凹部２１は、第１、第２固定電極７、８が形成される固定電極形成領域Ｑ７、Ｑ８と重なるように形成される。また、凹部２１は、第２シリコン層２Ｃを貫通しない有底の凹部である。凹部２１の厚さは、例えば、１０μｍ程度である。なお、凹部２１の形成方法は、特に限定されないが、例えば、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等のアルカリ系のエチング液を用いた異方性エッチングを用いることができる。これにより、第２シリコン層２Ｃの結晶面が表れて、傾斜面６１２ａ、６１２ｂを容易に形成することができる。

≪エッチング耐性膜形成工程Ｓ３≫
本工程Ｓ３は、第２シリコン層２Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを成膜する成膜工程Ｓ３１と、凹部２１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層２Ｃの上面を露出させる除去工程Ｓ３２と、を含む。

－成膜工程Ｓ３１－
まず、図１７に示すように、第２シリコン層２Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを形成する。エッチング耐性膜ＥＳとしては、後述する積層体パターニング工程Ｓ５でのエッチングに対して十分な耐性を有していれば特に限定されず、本実施形態では、酸化シリコン膜を用いている。エッチング耐性膜ＥＳ（酸化シリコン膜）の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、熱酸化、ＣＶＤ等を用いることができる。

－除去工程Ｓ３２－
次に、図１８に示すように、凹部２１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層２Ｃの上面を露出させる。酸化シリコン層２Ｂの除去方法としては、特に限定されず、例えば、ＣＭＰ（化学機械研磨）を用いることができる。なお、図示の構成では、凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳがわずかに除去されて凹没した形状となっている。これにより、次のシリコン基板接合工程Ｓ４において、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９とを凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳに阻害されることなく、強固に接合することができる。ただし、凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳの形状は、特に限定されず、例えば、第２シリコン層２Ｃの上面と面一であってもよい。

以上のような工程によれば、エッチング耐性膜ＥＳを凹部２１内に容易に形成することができる。ただし、エッチング耐性膜ＥＳの形成方法としては、特に限定されない。

≪シリコン基板接合工程Ｓ４≫
次に、図１９に示すように、第２シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９を接合する。これにより、基板１００が得られる。接合方法としては、特に限定されず、例えば、表面活性化接合を用いることができる。なおい、シリコン基板９の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、３００μｍ程度である。

≪積層体パターニング工程Ｓ５≫
次に、図２０に示すように、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９との積層体１０を上面側からエッチングし、積層体１０を貫通する貫通孔を形成することにより、積層体１０に、支持部３と、可動電極６と、第１、第２固定電極７、８とを形成する。この際、酸化シリコン層２Ｂおよびエッチング耐性膜ＥＳがエッチングストップ層として機能する。エッチングには、例えば、ドライエッチング、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。ドライエッチングを用いることにより、高アスペクト比の貫通孔を精度よく形成することができるため、隙間Ｇをより小さく設計することができる。そのため、優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。ただし、エッチング方法は、特に限定されず、例えば、ウェットエッチングであってもよい。

≪第１シリコン層パターニング工程Ｓ６≫
次に、図２１に示すように、第１シリコン層２Ａを下面側からエッチングし、第１シリコン層２Ａを貫通する貫通孔を形成することにより、第１シリコン層２Ａに、支持部３と、バネ部４と、可動部５とを形成する（ただし、バネ部４は、図２１に不図示。）。なお、この際、酸化シリコン層２Ｂがエッチングストップ層として機能する。エッチングには、例えば、ドライエッチング、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。ドライエッチングを用いることにより、高アスペクト比の貫通孔を精度よく形成することができる。ただし、エッチング方法は、特に限定されず、例えば、ウェットエッチングであってもよい。

≪エッチング耐性膜除去工程Ｓ７≫
次に、図２２に示すように、凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳを除去する。これにより、第１、第２固定電極７、８の下方に隙間が形成され、第１、第２固定電極７、８と可動電極６との接触が抑制される。なお、エッチング耐性膜ＥＳの除去方法としては、特に限定さないが、例えば、フッ酸系のエッチング液を用いることができる。

≪酸化シリコン層除去工程Ｓ８≫
次に、図２３に示すように、酸化シリコン層２Ｂの一部を除去して、可動部５およびバネ部４を支持部３に対して可動可能な状態とする。可動部５およびバネ部４を支持部３に対して可動可能な状態とすることができれば、酸化シリコン層２Ｂの除去部分は、特に限定されない。

≪エレクトレット膜形成工程Ｓ９≫
次に、図２４に示すように、可動電極６にエレクトレット膜ＥＬを形成すると共に端子Ｔ１、Ｔ２を形成する（ただし、端子Ｔ１、Ｔ２は、図２４に不図示。）。なお、エレクトレット膜ＥＬの形成方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、熱酸化により積層体１０の表面に酸化シリコン膜を成膜し、次に、この酸化シリコン膜にカリウムイオン等のアルカリ金属イオンをドープし、その後、電界印加して帯電させる方法がある。

以上により、振動発電素子１が得られる。ただし、振動発電素子１の製造方法としては、特に限定されず、例えば、積層体パターニング工程Ｓ５と第１シリコン層パターニング工程Ｓ６の順序を入れ替えてもよい。つまり、第１シリコン層パターニング工程Ｓ６の後に積層体パターニング工程Ｓ５を行ってもよい。また、上面側からのエッチングと下面側からのエッチングとが同時にできる場合には、これらの工程を同時に行ってもよい。同様に、エッチング耐性膜除去工程Ｓ７と酸化シリコン層除去工程Ｓ８の順序を入れ替えてもよい。つまり、酸化シリコン層除去工程Ｓ８の後にエッチング耐性膜除去工程Ｓ７を行ってもよい。また、本実施形態のように材料が同じ等、酸化シリコン層２Ｂとエッチング耐性膜ＥＳとを同時に除去可能な場合は、これらの工程を同時に行ってもよい。

このような製造方法では、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９とを接合してなる１枚の基板１００をパターニングすることにより振動発電素子１を形成する。そのため、寸法精度に優れ、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との隙間Ｇをより小さくすることができる。そのため、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量をより大きくすることができる。したがって、より優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。

以上、本発明の振動デバイスを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前述した実施形態では、振動デバイスを振動発電素子に応用した例を説明したが、振動デバイスとしては、これに限定されない。例えば、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との容量変化に基づいて加速度や角速度を検出する慣性センサーに適用してもよい。

また、例えば、図２５に示すように、可動部５の下面に錘Ｍを配置してもよい。これにより、可動部５の質量がさらに増大し、振動発電素子１の感度がより向上する。特に、振動発電素子１によれば、可動部５の面積を大きく確保することができるため、その分、より大きな錘Ｍを配置することができる。そのため、上述の効果がより向上する。

１…振動発電素子、１０…積層体、１００…基板、２…ＳＯＩ基板、２Ａ…第１シリコン層、２Ｂ…酸化シリコン層、２Ｃ…第２シリコン層、２１…凹部、３…支持部、３１…第１固定電極接続領域、３２…第２固定電極接続領域、４…バネ部、４１…第１バネ部、４２…第２バネ部、５…可動部、６…可動電極、６０…基部、６１…可動電極指、６１Ａ…可動電極指群、６１Ｂ…可動電極指群、６１Ｃ…可動電極指群、６１１ａ…傾斜面、６１１ｂ…傾斜面、６１２ａ…傾斜面、６１２ｂ…傾斜面、７…第１固定電極、７１…第１固定電極指、７１Ａ…第１固定電極指群、７１Ｂ…第１固定電極指群、７１Ｃ…第１固定電極指群、７１１ａ…傾斜面、７１１ｂ…傾斜面、８…第２固定電極、８１…第２固定電極指、８１Ａ…第２固定電極指群、８１Ｂ…第２固定電極指群、８１Ｃ…第２固定電極指群、８１１ａ…傾斜面、８１１ｂ…傾斜面、９…シリコン基板、ＥＬ…エレクトレット膜、ＥＳ…エッチング耐性膜、Ｇ…隙間、Ｍ…錘、Ｑ７…固定電極形成領域、Ｑ８…固定電極形成領域、Ｓ１…ＳＯＩ基板準備工程、Ｓ２…凹部形成工程、Ｓ３…エッチング耐性膜形成工程、Ｓ３１…成膜工程、Ｓ３２…除去工程、Ｓ４…シリコン基板接合工程、Ｓ５…積層体パターニング工程、Ｓ６…第１シリコン層パターニング工程、Ｓ７…エッチング耐性膜除去工程、Ｓ８…酸化シリコン層除去工程、Ｓ９…エレクトレット膜形成工程、Ｔ１…端子、Ｔ２…端子、θ１…傾斜角、θ２…傾斜角、θ３…傾斜角、θ４…傾斜角

Claims (8)

1. 支持部と、
   前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
   前記可動部に接続され、前記第１方向に延在する可動電極指と、
   前記支持部に接続され、前記可動電極指と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置され、前記第１方向に延在する固定電極指と、を有し、
   前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向からの平面視で、
   前記可動電極指および前記固定電極指の少なくとも一方の端部は、前記第２方向の幅が先端に向かって漸減するテーパー状であり、他方と対向し前記第１方向に対して傾斜する第１傾斜面を備えていることを特徴とする振動デバイス。
2. 前記端部は、両テーパー状であり、一対の前記第１傾斜面を備えている請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記第１傾斜面の前記第１方向に対する傾斜角は、４５°未満である請求項２に記載の振動デバイス。
4. 前記可動電極指および前記固定電極指は、それぞれ、前記第１傾斜面を備えている請求項１に記載の振動デバイス。
5. 前記可動部が前記第１方向に変位した状態では、前記可動電極指と前記固定電極指とが前記第２方向に並ばず、
   前記可動電極指の前記固定電極指側の端部が前記第１傾斜面を備え、
   前記固定電極指の前記可動電極指側の端部が前記第１傾斜面を備えている請求項１に記載の振動デバイス。
6. 前記第１方向からの平面視で、
   前記可動電極の前記第３方向の端部は、前記第２方向に対して傾斜する第２傾斜面を備え、
   前記第３方向からの平面視で、
   前記第２傾斜面は、前記固定電極指と重なっている請求項１に記載の振動デバイス。
7. 前記第３方向からの平面視で、
   前記可動電極指および前記固定電極指は、それぞれ、前記可動部と重なって配置されている請求項１に記載の振動デバイス。
8. 第１シリコン層と第２シリコン層との間に酸化シリコン層が介在するＳＯＩ基板と前記第２シリコン層に接合されたシリコン基板とを有する基板からなり、
   前記ＳＯＩ基板と前記シリコン基板との積層体から前記支持部が形成され、
   前記第１シリコン層から前記可動部が形成され、
   前記第２シリコン層と前記シリコン基板との積層体から前記可動電極指が形成され、
   前記シリコン基板から前記固定電極指が形成されている請求項７に記載の振動デバイス。

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