JP2965901B2 - マイクロマシン用光電変換デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシンに
搭載される光電変換デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型発電施設の熱交換器、配管系
などのメンテナンス用あるいは医療用として、マイクロ
マシンが注目されている。マイクロマシンは、全長は１
００μｍ〜数ｃｍ程度の狭所空間内での作業が可能な機
械である。

【０００３】このようなマイクロマシンにおいては、マ
イクロマシン自体の移動のため、またはマイクロマシン
が行う作業のために駆動部及び制御回路等が必要であ
り、また該駆動部等を駆動させるためのエネルギー供給
手段が必要である。このようなエネルギー供給手段の一
つとして、マイクロマシンに光を照射し、照射された光
のエネルギーを電気エネルギーに変換し、これを駆動部
等に供給する方法が検討されている。具体的には、マイ
クロマシンの上に光起電力素子を搭載し、この光起電力
素子に照射された光を直接電力に変換し、これを駆動部
等に供給する。

【０００４】また、マイクロマシンにおいては、遠隔制
御によって所望の作業を行わせることが必要であり、制
御信号をマイクロマシンに送信し、マイクロマシンのア
クチュエータあるいは超音波センサー等を制御すること
が必要になる。

【０００５】このような制御信号の送信及び受信の方法
として電波による送信及び受信が考えられるが、マイク
ロマシンには、上述のように光起電力素子を搭載する必
要があり、電波を受信するためのアンテナ等の受信ユニ
ットを搭載するスペースをさらに確保しなければならな
い。従って、このようなアンテナ等の電波による送信及
び受信は、マイクロマシンを小型化するには好ましくな
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
する方法として、マイクロマシンに照射する光を制御信
号によって変調し、これをマイクロマシン上に設けられ
た光学センサによって検知し、光通信により制御信号を
送信及び受信する方法が考えられる。このような光通信
に用いる光学センサとして、マイクロマシンに搭載する
光起電力素子と同様の光電変換素子を用いれば、マイク
ロマシンに搭載する光電変換素子の一部を光学センサと
して用い、制御信号を受信することができる。

【０００７】ところで、マイクロマシンに用いられるア
クチュエータは、静電型アクチュエータや、ピエゾ縦効
果型アクチュエータのように、高い電圧で使用するアク
チュエータが多い。また損失の少ない電力の供給方法と
しては、高い電圧で電力を供給することが必要である。
このような観点からは、マイクロマシンに搭載する光起
電力素子として、非晶質シリコンの光起電力素子が好ま
しい。しかしながら、光学センサとしては、非晶質シリ
コンの光電変換素子よりも、結晶系シリコンの光電変換
素子の方が応答時間が短く好ましいことが知られてい
る。例えば、非晶質シリコンの光センサでは応答時間が
１００μ秒であるのに対し、ｐｎ接合の結晶系シリコン
の光センサでは約０．１〜１０μ秒であり、さらにｐｉ
ｎ接合の結晶系シリコンの光センサでは約６〜５０ｎ秒
である。

【０００８】従って、電力供給用の光電変換素子として
非晶質シリコン光電変換素子を用い、制御信号を検知す
るための光学センサとしては結晶系シリコン光電変換素
子を用いることが好ましい。しかしながら、マイクロマ
シン上に非晶質シリコン光電変換素子と結晶系シリコン
光電変換素子の両方を搭載すると、マイクロマシンが大
型化すると共に、マイクロマシンの構造が複雑になると
いう問題を生じる。

【０００９】本発明の目的は、上述の従来の問題点を解
消し、マイクロマシン内に供給する電力を効率よく発電
することができるとともに、光通信による制御信号を感
度よく検知し制御性を高めることができ、しかも軽量化
及び小型化を図ることができるマイクロマシン用光電変
換デバイスを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロマシン
用光電変換デバイスは、マイクロマシンに照射される光
によって制御信号が与えられ、かつマイクロマシンに照
射される光を電気エネルギーに変換することにより電力
が供給されるマイクロマシン用の光電変換デバイスであ
り、制御信号を検知するための光学センサとして結晶系
シリコン光電変換素子が設けられ、この上に該結晶系シ
リコン光電変換素子の受光部領域を露出させて、電力を
供給するための光起電力素子としての非晶質シリコン光
電変換素子を設けたことを特徴としている。

【００１１】本発明によれば、光学センサデバイスとし
て応答時間の短い結晶系シリコン光電変換素子を用いて
いるため、アクチュエータ等への制御信号を感度よく検
知し制御性を高めることができる。また、電力供給用の
光電変換素子として非晶質シリコン光電変換素子を用い
ているので、高い電圧の電力を供給することができ、静
電型及び圧電型のアクチュエータ等に適した電力を供給
することができる。また光起電力素子として非晶質シリ
コン光電変換素子を用いるので、容易に集積化を図るこ
とができ、より高い電圧で電力を供給することが可能に
なる。

【００１２】また、本発明によれば、非晶質シリコン光
電変換素子を、結晶系シリコン光電変換素子の上に形成
しているので、従来非晶質シリコン光電変換素子を形成
する場合に必要であったガラス基板等の基板が必要でな
くなる。すなわち、本発明によれば、結晶系シリコン光
電変換素子を薄膜形成用の基板として用い、この上に薄
膜を形成することにより、非晶質シリコン光電変換素子
を形成している。また、本発明では、両方の光電変換素
子を積層しているので、結晶系シリコン光電変換素子と
非晶質シリコン光電変換素子をマイクロマシン上に搭載
しても、大型化することがない。従って、軽量化及び小
型化を図ることができる。

【００１３】結晶系シリコン光電変換素子の上に非晶質
シリコン光電変換素子を形成する際には、それぞれの素
子の電極が互いに接触しないように、一般には、これら
の素子の間に絶縁層を設ける。このような絶縁層として
は、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＺｎＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃ 、Ｓ
ｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ、ＴｉＯ₂ などの酸化膜を用い
ることができる。

【００１４】さらに、本発明においては、結晶系シリコ
ン光電変換素子の受光部の上に波長選択フィルターを設
け、特定波長の光のみを結晶系シリコン光電変換素子に
受光させることができる。このように波長選択フィルタ
ーによって特定波長の光のみを受光させることにより、
特定波長の光を制御信号によって変調し、制御信号を送
信することができる。

【００１５】複数の制御信号を同時に１つのマイクロマ
シンに対して送信したい場合には、複数の光電変換デバ
イスを設け、各光電変換デバイスの結晶系シリコン光電
変換素子の受光部の上にそれぞれ透過波長域が異なる波
長選択フィルターを設けることが好ましい。制御信号を
送信する光として、各波長選択フィルターの透過波長域
に対応した波長を有する光を用いることにより、これら
の光を同時に照射することができる。各光電変換デバイ
スでは、各波長選択フィルターによって特定波長の光の
みが受光されるので、受光された光に対応する制御信号
を取り出すことができる。

【００１６】制御信号に応じてマイクロマシンに照射す
る光を変調する方式としては、種々の方式を採用するこ
とができる。例えば、制御信号として必要な情報量に応
じ、複数種類の光の周波数スペクトラムを予め規定して
おき、制御信号に応じて予め規定された周波数スペクト
ラムの光を照射する波長変調方式が採用できる。また、
ＦＭ変調、ＡＭ変調、ＰＷＭ変調等の変調方式も採用す
ることができる。また、光をオン／オフすることによっ
てパルス幅や周波数を変調する方式や、パルス毎のレベ
ルを変調する方式なども採用することもできる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の光電変換デバイ
スを搭載したマイクロマシン及びこのマイクロマシンに
電力及び制御信号を供給するシステムを示す模式図であ
る。図３を参照して、マイクロマシン１には光電変換デ
バイス２が搭載されている。マイクロマシン１には、ハ
ロゲンランプ等の光源５からの光が照射される。光源５
からマイクロマシン１に照射される光は、光源５に接続
されたパワーコントローラ６により、その出力等が制御
される。パワーコントローラ６は、情報処理装置７より
制御されており、情報処理装置７は、マイクロマシン１
の機能動作に必要な制御信号を作成し、これをパワーコ
ントローラ６に与える。制御信号がパワーコントローラ
６に与えられると、光源５からの光の出力等が変化し、
制御信号により変調を受けた光がマイクロマシン１の光
電変換デバイス２に照射される。

【００１８】光電変換デバイス２は、非晶質シリコン光
電変換素子３からなる被照射領域と、結晶系シリコン光
電変換素子の受光部４ａからなる被照射領域を有してお
り、これらの被照射領域に光が照射される。

【００１９】図１は、図３に示す光電変換デバイスを製
造する工程を示す断面図である。図１（ａ）を参照し
て、ｎ型単結晶シリコン基板を用い、ｎ型単結晶シリコ
ン層１１の表層部に、ボロン（Ｂ）等を不純物として拡
散させることにより、ｐ型単結晶シリコン層１２を形成
する。このようなｐｎ接合形成のための不純物導入法と
しては、不純物拡散法、イオン打ち込み法、及びイオン
注入法などを採用することができる。またｎ型単結晶シ
リコン層の上にエピタキシャル成長法によりｐ型単結晶
シリコン層を新たに形成し、ｐｎ接合を形成させてもよ
い。単結晶シリコン基板としては、約０．１Ωｃｍ程度
の抵抗率の低いｎ⁺ 型単結晶シリコン基板を用いること
が好ましい。また、上述のようにｐｉｎ接合のフォトダ
イオードは、ｐｎ接合のフォトダイオードよりも応答時
間が早い。従って、高速応答素子を形成する場合には、
ｐｉｎ接合を形成することが好ましい。このような場合
には、約０．０１Ωｃｍ程度のさらに抵抗率の低いｎ⁺
型の単結晶シリコン基板を用い、この上にエピタキシャ
ル成長法により数十μｍ程度の厚さの１〜１０Ωｃｍ程
度の高い抵抗率を有するｉ層を形成する。次に、このｉ
層の上に数μｍ〜数十μｍ程度の厚さのｐ層を形成す
る。

【００２０】また、ｎ型単結晶シリコン基板に代えてｐ
型単結晶シリコン基板を用い、ｐ型シリコン層の表層部
にｎ型シリコン層を形成してもよい。ｎ型単結晶シリコ
ン層１１の裏面には、結晶系シリコン光電変換素子１０
で発生した電力を取り出すための電極１４が形成され
る。この電極１４は、スパッタリング法などの蒸着法、
メッキ法、Ａｇペーストなどを用いた印刷法等により形
成することができる。ｐ型単結晶シリコン層１２の上に
は、ＩＴＯなどからなる透明電極１３がＣＶＤ法等によ
り形成される。

【００２１】次に、図１（ｂ）を参照して、透明電極１
３の上にＳｉＯ₂ などの酸化膜等からなる絶縁層２０が
形成される。絶縁層２０は、例えばイオンプレーティン
グ法、ＣＶＤ法等により形成することができる。

【００２２】次に、図１（ｃ）を参照して、絶縁層２０
の上に、上述の電極１４と同様に、スパッタリング法等
により、金属膜などからなる電極３１（例えば膜厚０．
２〜１μｍ程度）が形成される。次に、結晶系シリコン
光電変換素子１０に光が入射されるように、電極３１の
端部を、レーザー照射により除去しパターニングして、
受光部４ａを形成する。

【００２３】次に、図１（ｄ）を参照して、電極３１の
上に、プラズマＣＶＤ法などにより非晶質シリコン層
（例えば膜厚０．５μｍ程度）を形成する。非晶質シリ
コン層３２の形成工程において、反応ガスを変えること
により、ｎ層、ｉ層及びｐ層を形成し積層する。非晶質
シリコン層３０の形成後、電極３１と同様にして、レー
ザー照射によりパターニングにより、受光部４ａ内の非
晶質シリコン層を除去する。

【００２４】次に、図１（ｅ）参照して、非晶質シリコ
ン層３２の上に、ＩＴＯなどからなる透明電極（例えば
膜厚０．２〜０．５μｍ程度）をＣＶＤ法等により形成
する。電極３１及び非晶質シリコン層３２と同様に、受
光部４ａ内の透明電極層をレーザー照射により除去しパ
ターニングする。

【００２５】以上のようにして、結晶シリコン光電変換
素子１０の上に、絶縁層２０を介して非晶質シリコン光
電変換素子３を形成し、光電変換デバイスを製造するこ
とができる。

【００２６】図２は、図１（ｅ）に示す光電変換デバイ
スを上方から見たときの平面図である。図２に示される
ように非晶質光電変換素子３の端部に、結晶系シリコン
光電変換素子の受光部４ａが形成されている。

【００２７】図１及び図２に示す光電変換デバイスにお
いて、光は非晶質シリコン光電変換素子３側から入射す
る。従って、受光部４ａ以外の領域では非晶質シリコン
光電変換素子３に入射した光が、電気エネルギーに変換
され、透明電極３３及び電極３１により取り出される。
透明電極３３及び電極３１は、マイクロマシン内のアク
チュエータやセンサ等の電極に接続され、非晶質シリコ
ン光電変換素子３からの電力は、このようなアクチュエ
ータやセンサ等に供給される。

【００２８】受光部４ａの部分では、非晶質シリコン光
電変換素子が存在しないので、結晶系シリコン光電変換
素子１０に光が入射する。結晶系シリコン光電変換素子
１０は、光学センサとして機能するように設けられてお
り、このような光学センサからの出力は、例えばＡ／Ｄ
変換器及び復調・制御回路に与えられ、照射光から制御
信号を取り出すことができる。取り出された制御信号
は、アクチュエータやセンサ等に与えられ、アクチュエ
ータやセンサ等の動作がこの制御信号によって制御され
る。上記のＡ／Ｄ変換器及び復調・制御回路を駆動する
ための電力は、非晶質シリコン光電変換素子３からの電
力を用いることができる。

【００２９】従って、本発明の光電変換デバイスでは、
照射光から電力を取り出すための光起電力素子として非
晶質シリコン光電変換素子３が用いられ、照射光から制
御信号を取り出すための光学センサとして結晶系シリコ
ン光電変換素子１０が用いられる。従って、応答時間等
が早く、受光デバイスとして優れた検知素子とすること
ができるとともに、高い電圧で電力を取り出すことがで
きる。

【００３０】マイクロマシンに照射する光の波長は特に
限定されるものではないが、例えば、０．４〜１．２μ
ｍの波長の光を用いることができる。図４は、本発明に
従う他の実施形態の光電変換デバイスを示す平面図であ
る。図４に示すように、受光部は素子の周辺部にほぼ均
一な幅で形成されていてもよい。このように、本発明に
おいては、受光部の形成される位置及びその形状は特に
限定されるものではない。

【００３１】図５は、本発明に従うさらに他の実施形態
の光電変換デバイスを示す図である。本実施形態では、
複数の光電変換デバイス５０ａ，５０ｂ、５０ｃが設け
られる。本実施形態において、光電変換デバイス５０ａ
は赤色光を検知するように構成され、光電変換デバイス
５０ｂは緑色光を検知するように設けられ、光電変換デ
バイス５０ｃは青色光を検知するように設けられてい
る。光電変換デバイス５０ａでは、結晶系シリコン光電
変換素子１０ａの上に赤色フィルター４１が設けられ、
この赤色フィルター４１の上に、絶縁層２０ａを介して
非晶質シリコン光電変換素子３０ａが設けられている。
非晶質シリコン光電変換素子３０ａの端部には、レーザ
ーでパターニングされることにより、受光部４４ａが形
成されている。

【００３２】光電変換デバイス５０ｂの結晶系シリコン
光電変換素子１０ｂの上には、緑色フィルター４２が設
けられ、緑色フィルター４２の上に絶縁層２０ｂを介し
て非晶質シリコン光電変換素子３０ｂが設けられてい
る。非晶質シリコン光電変換素子３０ｂの端部はレーザ
ーによりパターニングされ、受光部４４ｂが形成されて
いる。

【００３３】光電変換デバイス５０ｃの結晶系シリコン
光電変換素子１０ｃの上には、青色フィルタ４３が設け
られており、青色フィルタ４３の上に絶縁層２０ｃを介
して、非晶質シリコン光電変換素子３０ｃが設けられて
いる。非晶質シリコン光電変換素子３０ｃの端部はレー
ザーによりパターニングされ、受光部４４ｃが形成され
ている。

【００３４】以上のように、各光電変換デバイス５０
ａ，５０ｂ、５０ｃでは、赤色フィルター４１、緑色フ
ィルター４２、青色フィルター４３を介して、光学セン
サとしての結晶系シリコン光電変換素子１０ａ，１０
ｂ，１０ｃにそれぞれ光が入射するので、各フィルター
に対応する波長の光のみが受光される。

【００３５】各光電変換デバイス５０ａ，５０ｂ，５０
ｃを照射する光源としては、図５に示すように、光源５
１〜５４が設けられている。光源５１は各光電変換デバ
イスに光を照射し、電力を供給するための光源であり、
例えば白色光源が用いられる。光源５２は光電変換デバ
イス５０ａに対し制御信号を送信するための光源として
設けられており、赤色光のみを照射する光源である。同
様に光源５３は光電変換デバイス５０ｂによって検知さ
れる緑色光のみを照射する光源であり、光源５４は光電
変換デバイス５０ｃによって検知される青色光のみを照
射する光源である。

【００３６】従って、光源５２，５３，５４のそれぞれ
から照射される赤色光、緑色光、及び青色光のそれぞれ
を制御信号によって変調し、それぞれに対応した各光電
変換デバイス５０ａ，５０ｂ，５０ｃの結晶系シリコン
光電変換素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃによって検知する
ことにより、別個の制御信号をパラレルに受信すること
ができる。

【００３７】また各光電変換デバイス５０ａ，５０ｂ，
５０ｃの非晶質シリコン光電変換素子３０ａ，３０ｂ，
３０ｃでは、光源５１からの光によって光起電力が生
じ、得られた電力をアクチュエータ等に供給することが
できる。

【００３８】図６は、図５に示すような３つの光電変換
デバイスを搭載したマイクロマシンを示す模式図であ
る。図６に示すように、図３に示す実施形態と同様に、
３つの光電変換デバイス５０ａ，５０ｂ，５０ｃをマイ
クロマシン１上に搭載することができる。複数の光電変
換デバイスを搭載することにより、複数の制御信号を扱
うことができる。

【００３９】図７は、本発明に従うさらに他の実施形態
の光電変換デバイスを搭載したマイクロマシン及びこれ
を制御するシステムを示す模式図である。図７に示すマ
イクロマシン１は、光電変換デバイス６０を搭載してい
る。この光電変換デバイス６０は、非晶質シリコン光電
変換素子の部分が複数のセルに分割され、各セルを直列
に接続することにより集積化し、高い電圧を取り出すこ
とができるようにされている。

【００４０】図８は、図７に示す光電変換デバイスを示
す斜視図である。図８に示すように、光電変換素子６０
は、結晶系シリコン光電変換素子６１の上に、絶縁層６
６を介して、集積化した非晶質シリコン光電変換素子７
１を積層することにより構成されている。非晶質光電変
換素子７１においては、非晶質シリコンからなる発電層
７３が複数に分割されており、各発電層７３は隣接する
セル間で絶縁層６６上の裏面電極７２と発電層７３上に
形成された透明電極７４を電気的に接続することにより
直列に接続されている。従って、非晶質シリコン光電変
換素子７１から取り出される電力は高い電圧の電力とし
て取り出される。上述のようにマイクロマシンに使用さ
れるアクチュエータは、静電型及び圧電型のアクチュエ
ータが多く、高い電圧で駆動するものであるので、マイ
クロマシン搭載用の光電変換デバイスとして、高い電圧
で電力を取り出す必要がある場合には、図８に示したよ
うな非晶質シリコン光電変換素子を集積化した光電変換
デバイスが好ましい。

【００４１】

【発明の効果】本発明に従えば、制御信号を検知するた
めの光学センサとして、結晶系シリコン光電変換素子が
用いられ、電力を供給するための光起電力素子として非
晶質シリコン光電変換素子が設けられている。従って、
アクチュエータ等に供給する電力を効率よく発電するこ
とができるとともに、光通信によるアクチュエータ等へ
の制御信号を感度よく検知し制御性を高めることができ
る。

【００４２】また、結晶系シリコン光電変換素子を基板
として、この上に非晶質シリコン光電変換素子を形成す
ることができるので、従来のような非晶質シリコン光電
変換素子を形成するためのガラス基板等が不要になり、
軽量化を図ることができるとともに、小型化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う一実施形態の光電変換デバイスを
製造する工程を示す断面図。

【図２】図１（ｅ）に示す光電変換デバイスの平面図。

【図３】図１及び図２に示す光電変換デバイスを搭載し
たマイクロマシン及びこれを制御するシステムを示す模
式図。

【図４】本発明に従う他の実施形態の光電変換デバイス
を示す平面図。

【図５】本発明に従うさらに他の実施形態の光電変換デ
バイスを示す断面図。

【図６】図５に示す光電変換デバイスを搭載したマイク
ロマシン及びこれを制御するためのシステムを示す模式
図。

【図７】本発明に従うさらに他の実施形態の光電変換デ
バイスを搭載したマイクロマシン及びこれを制御するた
めのシステムを示す模式図。

【図８】図７に示す集積型非晶質シリコン光電変換素子
を有する光電変換デバイスを示す斜視図。

【符号の説明】

１…マイクロマシン ２…光電変換デバイス ３…非晶質光電変換素子 ４ａ…結晶系シリコン光電変換素子の受光部 ５…光源 ６…パワーコントローラ ７…情報処理装置 １０…結晶系シリコン光電変換素子 １１…ｎ型単結晶シリコン層 １２…ｐ型単結晶シリコン層 １３…透明電極 １４…電極 ２０…絶縁層 ３１…電極 ３２…非晶質シリコン発電層 ３３…透明電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津田 信哉 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−274417（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−241004（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−212433（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−208282（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロマシンに照射される光によって
   制御信号が与えられ、かつマイクロマシンに照射される
   光を電気エネルギーに変換することにより電力が供給さ
   れるマイクロマシン用の光電変換デバイスであって、 前記制御信号を検知するための光学センサとして結晶系
   シリコン光電変換素子が設けられ、この上に該結晶系シ
   リコン光電変換素子の受光部領域を露出させて、前記電
   力を供給するための光起電力素子としての非晶質シリコ
   ン光電変換素子を設けたことを特徴とするマイクロマシ
   ン用光電変換デバイス。
2. 【請求項２】 前記結晶系シリコン光電変換素子の上に
   絶縁層を介して前記非晶質シリコン光電変換素子が設け
   られている請求項１に記載のマイクロマシン用光電変換
   デバイス。
3. 【請求項３】 前記結晶系シリコン光電変換素子の受光
   部の上に波長選択フィルターが設けられ、特定波長の光
   のみを前記結晶系シリコン光電変換素子が受光する請求
   項１または２に記載のマイクロマシン用光電変換デバイ
   ス。
4. 【請求項４】 複数の光電変換デバイスから構成され、
   各光電変換デバイスの結晶系シリコン光電変換素子の受
   光部の上にそれぞれ透過波長域が異なる波長選択フィル
   ターを設け、各波長選択フィルターの透過波長域に対応
   した波長を有する光をそれぞれ照射することにより、各
   光電変換デバイス毎に別個の制御信号を受信可能にした
   ことを特徴とする請求項３に記載のマイクロマシン用光
   電変換デバイス。