JP5551914B2

JP5551914B2 - エレクトレット及びその製造方法並びにエレクトレットを備える静電誘導型変換素子

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Publication number: JP5551914B2
Application number: JP2009237419A
Authority: JP
Inventors: 雄二鈴木; 啓萩原; 正英後藤; 利文田島; 賢一樹所; 功修安野; 秀和児玉
Original assignee: Rion Co Ltd; University of Tokyo NUC; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Rion Co Ltd; University of Tokyo NUC; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: JP2011087384A

Description

本発明は、エレクトレット及びその製造方法並びにエレクトレットを備える静電誘導型変換素子の改良に関する。

従来より、絶縁材料に電荷を注入したエレクトレットを使用した発電装置、マイクロフォン等の静電誘導型変換素子が提案されている。このような、エレクトレットを使用した装置においては、電気エネルギと運動エネルギとの変換効率が高いことが知られている。例えば、下記特許文献１にも、エレクトレットを使用した静電アクチュエータの例が開示されている。

また、図９（ａ），（ｂ）には、上記従来のエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の製造方法の例が示される。図９（ａ）において、基材１０の一方の面に樹脂等で絶縁材料層１２を形成し、この絶縁材料層１２にコロナ放電、電子ビーム等により発生した電荷を注入することによりエレクトレットを形成する。次に、図９（ｂ）に示されるように、一定の間隙を介して金属板２６を絶縁材料層１２に対向配置し、発電装置、マイクロフォン等の静電誘導型変換素子を形成する。この際、素子の効率を高めるには、間隙を狭くする必要がある。

特開２００５−２２９７０７号公報

上記従来の技術においては、コロナ放電、電子ビーム等により絶縁材料層１２に電荷を注入する際に、コロナ放電等により発生した電荷を、直接上記絶縁材料層１２に当てる必要があった。これは、例えば微少な間隙の開口から電荷を絶縁材料層に注入することが困難だからである。このため、図９（ａ），（ｂ）に示されるように、素子を分離した状態で電荷の注入を行った後に素子を組み立てるという工程となっていた。

しかし、上記の組立工程は高い精度が要求されるとともにコストがかかるため、図１０に示すように、単一の基材１０を加工して素子を形成することにより、素子の組立を不要とすることが望ましい。図１０では、単一の基材１０から、フォトリソグラフィー、深堀り反応性イオンエッチング等により加工された、櫛状の電極部分１０ａ，１０ｂを有する素子の例が示されている。ここで、絶縁材料層は、例えば上記櫛状の電極部分１０ａ，１０ｂの表面に形成する必要がある。しかし、この場合、絶縁材料層は、櫛状の電極部分１０ａ，１０ｂの垂直面に形成されるので、コロナ放電、電子ビーム等により電荷を絶縁材料層に注入することは不可能である。また、一旦分解して電荷を注入した後に微小な間隙を保ったまま組み立てることは極めて困難である。このため、上記従来の方法ではエレクトレット及びこれを使用した静電誘導型変換素子を形成することができないという問題があった。

本発明の目的は、基材表面に対して垂直に形成され，微少な間隙を介して対向配置されたエレクトレット及びその製造方法並びにエレクトレットを備える静電誘導型変換素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のエレクトレットの発明は、単一の基材に形成され、所定の間隔以内の間隙を介して対向する、前記基材の表面に垂直な対向面と、前記対向面に形成された絶縁材料層と、前記対向する面の間に所定の電位差を印加しつつ前記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射することで、前記絶縁材料層の表面付近に注入された電荷と、を備え、前記間隙の深さをｈ、前記間隙の間隔をｇ、前記対向する面に直交する方向における前記基材の幅をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈ、であることを特徴とする。

請求項２記載のエレクトレットの発明は、単一の基材に形成された前記基材の表面に垂直な対向面の各々に、相互に所定の間隔以内の間隙を保って設けられ、自身が設けられた対向面に対向する他の対向面と所定の間隙を保ちながら交互に配置されてかみ合った板状突起部と、前記板状突起部の表面に形成された絶縁材料層と、前記対向する面の間に所定の電位差を印加しつつ前記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射することで、前記絶縁材料層の表面付近に注入された電荷と、を備え、前記間隙の深さをｈ、前記間隙の間隔をｇ、前記基材の対向面に直交する方向における前記基材の幅をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈ、であることを特徴とする。

請求項３記載のエレクトレットの製造方法の発明は、単一の基材に間隙を形成し、前記間隙を介して対向する面に絶縁材料層を形成し、前記対向する面の間に所定の電位差を印加しつつ前記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射し、前記絶縁材料層の表面付近に電荷を注入する、工程を有し、前記間隙部の深さをｈ、前記間隙部の間隔をｇ、前記軟Ｘ線の照射方向とは異なる方向における前記基材の幅をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈ、であることを特徴とする。

請求項４記載の静電誘導型変換素子の発明は、請求項１または請求項２に記載のエレクトレットを備えることを特徴とする。

本発明によれば、単一の基材表面に対して垂直に形成され，微少な間隙を介して対向配置されたエレクトレットを提供できる。

実施形態にかかるエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の構成例を示す図である。実施形態にかかるエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の形成方法の説明図である。図２に示されたエレクトレットにおいて、軟Ｘ線を照射した間隙の開口からの距離と、絶縁材料層に注入された電荷量との関係を示す図である。実施形態にかかるエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の他の構成例を示す図である。図４に示された静電誘導型変換素子の製造工程の例を示す図である。絶縁材料層に電荷を注入する工程の説明図である。図４に示された静電誘導型変換素子の出力電圧の測定結果を示す図である。静電誘導型変換素子の振動の振幅を変更した場合における出力電圧の電圧振幅の測定結果を示す図である。従来のエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の製造方法の例を示す図である。単一の基材から加工した素子の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態にかかるエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の構成例が示される。ここで、静電誘導型変換素子は、電気エネルギと運動エネルギとの変換を行う素子であり、例えば加速度計等の計測装置、発電装置、マイクロフォン、リニアアクチュエータ等に使用することができる。

図１において、静電誘導型変換素子は、板状の単一の基材１０に間隔ｇの間隙が溝加工により形成されており、基材１０の表面に垂直な加工面同士が対向配置されている。また、基材１０の互いに対向する垂直な加工面には樹脂材料、酸化物等で構成された絶縁材料層１２が形成されている。また、二つの基材１０は、保持部材１４により絶縁材料層１２が形成された面に略平行に移動可能に保持されている。なお、図１に示された保持部材１４は、バネの形状となっているが、これは概念図であり、二つの基材１０を絶縁材料層１２が形成された面に略平行に移動可能に保持できる部材であれば限定されない。

また、上記絶縁材料層１２には、その表面付近に電荷が注入されており、エレクトレットが形成されている。ここで、上記間隙の間隔（絶縁材料層１２の互いに対向する表面の間隔）がｇであり、間隙の深さをｈ、基材１０の互いに対向する垂直な加工面に直交する方向における各基材１０の幅（絶縁材料層１２の厚さを含む）をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈとなっている。なお、間隙の深さｈは、間隙の開口からの長さであり、図１に示された例の他、これに直交する方向における間隙の開口からの長さであってもよい。上記間隙の間隔ｇが２００μｍ以下となっているのは、この値より広い間隔では、エレクトレットにより発生する静電誘導起電力が小さくなり、エレクトレットを使用した静電誘導型変換素子として動作させることが困難だからである。

ここで、上記間隙の間隔ｇは、２００μｍ以下の微少な間隔であり、保持部材１４等とともに、フォトリソグラフィー、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）等の微細加工可能な方法により形成される。このため、二つの基材１０を別々に形成し、各基材１０の面上に絶縁材料層１２を形成してコロナ放電等により電荷を注入し、その後、上記絶縁材料層１２を対向配置して上記エレクトレットを形成することは困難である。そこで、本実施形態では、間隙の開口から軟Ｘ線を照射して、間隙内部の絶縁材料層１２に電荷を注入する方法によりエレクトレットを形成した。

図２には、実施形態にかかるエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の形成方法の説明図が示される。なお、図２では、保持部材１４は省略している。

図２において、シリコン等の材料で構成された基材１０をフォトリソグラフィー、深堀り反応性イオンエッチング等の微細加工可能な方法により加工して、基材１０に間隔（ｇ＋２α）の間隙を形成する、次に、この間隙を介して対向する面に絶縁材料層１２を厚さαで形成する。この結果、間隙の間隔はｇとなる。絶縁材料層１２としては、ポリパラキシリレン等の樹脂またはＳｉＯ_２等の酸化膜を使用することができるが、これらに限定されるものではない。絶縁材料層１２を樹脂で形成する場合には、パラキシリレン等の樹脂モノマーをガス状で基材１０の間隙内に供給し、これを基材１０の表面で重合する。また、絶縁材料層１２を酸化膜で形成する場合には、基材１０を加熱する等の方法により基材１０の表面を酸化する。図２の例では、ポリパラキシリレン層を２μｍ形成して絶縁材料層１２とした。なお、図２の例では、絶縁材料層１２が、上記間隙を介して対向する面の両方に形成されているが、少なくとも一方の面に形成されればよい。

次に、軟Ｘ線照射装置１６により、上記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射する。ここで、軟Ｘ線は、１０ｋｅＶ以下のエネルギーのＸ線をいう。本実施形態では、９．５ｋｅＶのＸ線を使用した。また、軟Ｘ線の照射時間は１０分間としたが、必要な表面電位等に応じて適宜決定することができる。軟Ｘ線を照射する際には、対向配置された基材１０の間にバイアス電圧源１８からバイアス電圧を印加した。本実施形態では、バイアス電圧を１００Ｖとした。

軟Ｘ線は、エネルギーが低いＸ線であるので、酸素、窒素等の空気中の成分に吸収され、これらの成分をイオン化する。このため、軟Ｘ線が上記間隙の開口から間隙中に進入すると、間隙中の空気成分をイオン化することになる。このときに発生する正イオンと負イオンとは、上記基材１０の間に印加したバイアス電圧により、それぞれ基材１０の表面に形成された絶縁材料層１２に引き寄せられ、絶縁材料層１２の表面付近に注入されて蓄積される。これにより、絶縁材料層１２がエレクトレットとなる。

なお、上述したように、基材１０の幅Ｗが間隙の深さｈに対してＷ≧ｈとなっており、軟Ｘ線が基材１０の幅を透過することが困難であるので、基材１０の幅方向から軟Ｘ線を照射して絶縁材料層１２に電荷を注入することはできない。従って、本実施形態のように、基材１０の厚さ方向（間隙の深さ方向）から間隙の開口を通して軟Ｘ線を間隙中に進入させる必要がある。

図３には、図２のエレクトレットにおいて、軟Ｘ線を照射した間隙の開口からの距離と、絶縁材料層１２に注入された電荷量との関係が示される。図３では、横軸が開口からの距離（ｍｍ）であり、縦軸が絶縁材料層１２の表面電位（Ｖ）である。また、間隙の間隔ｇは、３００μｍ、１５０μｍ、７０μｍの３種類で電荷注入の測定を行った。なお、上記開口からの距離は、図２にｌとして示される。また、表面電位は、基材１０を間隙で分解し、各絶縁材料層１２の表面電位を静電電圧計により測定した。

図３に示されるように、開口から一定の距離の範囲では、表面電位がバイアス電圧とほぼ同等の値となり、その後開口からの距離が長くなるにしたがって表面電位が減衰する。ここで、上記開口から一定の距離の範囲は、間隙の間隔ｇの値毎に異なっている（ｇが小さいほど上記一定の距離も小さくなる）が、間隙の間隔ｇのおよそ２０倍程度となっている。従って、エレクトレットの使用目的に応じて適切なバイアス電圧を選択するとともに、間隙の深さ（図２の距離ｌ）も適宜設定することにより、表面電位がほぼ一定のエレクトレットが形成された間隙を構成することができる。例えば、間隙の間隔ｇが２〜３μｍの素子の場合、間隙の深さ４０〜６０μｍまで表面電位が一定のエレクトレットを形成することができる。

図４（ａ），（ｂ）には、実施形態にかかるエレクトレットを使用した静電誘導型変換素子の他の構成例が示される。図４（ａ）では、単一の基材１０の一部に、Ｈ形状に加工されたＨ形状素子２０が形成されている。このＨ形状素子２０は、周囲の基材１０と切り離され、バネとして機能する保持部材１４により周囲の基材１０と接続され、保持されている。また、Ｈ形状素子２０の両端面とこれに対向配置される基材１０の面とが対向面を構成し、この対向面の各々に、所定の間隙を保ちながら交互に配置されてかみ合った板状突起部２２が形成されている。

図４（ｂ）には、上記板状突起部２２の部分拡大図が示されている。図４（ｂ）に示されるように、板状突起部２２は、Ｈ形状素子２０（基材１０）の表面に垂直な対向面２４の双方から交互に伸びており、板状突起部２２間に一定の間隔の間隙が維持されている。この板状突起部２２は、自身が形成された対向面に対向する他の対向面、すなわちＨ形状素子２０に形成された板状突起部２２は基材１０の対向面と、基材１０に形成された板状突起部２２はＨ形状素子２０の対向面ともそれぞれ所定の間隙を保って形成されている。また、板状突起部２２の相互に一定の間隔で対向する面もＨ形状素子２０の表面に垂直となっている。なお、板状突起部２２は対向面２４に直交する方向だけではなく、斜め方向であってもよい。

図４（ａ），（ｂ）に示された静電誘導型変換素子は、シリコン等の材料で構成された基材１０を、フォトリソグラフィー、深堀り反応性イオンエッチング等により微細加工して製造する。また、板状突起部２２の表面には、ポリパラキシリレンまたはＳｉＯ_２等の絶縁材料層１２が形成されている。この絶縁材料層１２の表面付近には電荷が注入され、エレクトレットが形成されている。なお、本実施形態においては、板状突起２２間の間隙の間隙をｇ、Ｈ形状素子２０と対向配置され、板状突起部２２が形成された基材１０の対向面２４に直交する方向における基材１０の幅をＷ、上記間隙の深さ（Ｈ形状素子２０のＨ形状の面に直交する方向におけるＨ形状素子２０の厚さ）をｈとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈの関係なっている。

ここで、図４（ａ）に示された静電誘導型変換素子は、保持部材１４の機能により矢印Ａの方向に、板状突起部２２と上記他の対向面との間隙より小さい振幅で振動することができ、エレクトレットにより発生した誘導起電力を外部に取り出すことができる。これにより、加速度計等の計測装置、発電装置、マイクロフォン等として動作することができる。

以下に、本実施形態の具体例を実施例として説明する。本実施例は、図４に示された静電誘導型変換素子の製造及び評価に関するものであるが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図５（ａ）〜（ｆ）には、図４に示された静電誘導型変換素子の製造工程の例が示される。図５（ａ）において、シリコン層１００、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１０２、シリコン層１００の順で積層された単一の基板（図４の基材１０に相当する）の上面に、銅、金またはクロム等の金属層１０４を蒸着等により積層する。このとき、図５（ａ）の基板は５００μｍの厚さであり、基板上段のシリコン層１００は８０μｍの厚さである。なお、上記金属層１０４は、エレクトレットで発生した誘導起電力を取り出す電極として使用される。

次に、図５（ｂ）に示されるように、フォトレジスト１０６をパターニングし、フォトリソグラフィーにより金属層１０４をフォトレジスト１０６のパターンに従ってエッチングする。その後、図５（ｃ）に示されるように、深堀り反応性イオンエッチングによりシリコン層１００を上記フォトレジスト１０６のパターンに従って８０μｍエッチングする。これにより、図４に示された保持部材１４、Ｈ形状素子２０、板状突起部２２が形成される。また、この後、上記フォトレジスト１０６は除去する。

次に、図５（ｄ）において、基板の下段側（酸化シリコン層１０２に対して金属層１０４を形成した面と反対側）の面にフォトレジスト１０６をパターニングし、深堀り反応性イオンエッチングにより上記フォトレジスト１０６のパターンに従って下段側シリコン層１００をエッチングする。その後、図５（ｅ）に示されるように、フッ化水素（ＨＦ）ガス等により、上記フォトレジスト１０６のパターンに従って酸化シリコン層１０２をエッチングする。また、この後、上記フォトレジスト１０６は除去する。これにより、Ｈ形状素子２０と板状突起部２２とが基板から独立し、保持部材１４に保持されつつ所定の運動が可能となる。なお、保持部材１４は、図示しない部分で基板に接続されている。

次に、図５（ｆ）において、１．５μｍの厚さでポリパラキシリレン（製品名パリレン−Ｃ）層を絶縁材料層１２として形成する。形成したポリパラキシリレン層には、軟Ｘ線を基板に形成された間隙の開口から照射して電荷を注入し、エレクトレットを形成する。

図６には、図５（ｆ）における絶縁材料層１２に電荷を注入する工程の説明図が示される。図６では、図４に示された静電誘導型変換素子の板状突起部２２が部分的に示されている。

図６において、部分的に示されたＨ形状素子２０と基材１０とには、図５（ａ）〜（ｅ）の工程により板状突起部２２が形成されている。また、板状突起部２２の表面には、図５（ｆ）の工程により絶縁材料層１２が形成されている。

上記Ｈ形状素子２０に形成された板状突起部２２と基材１０に形成された板状突起部２２との間には、バイアス電圧源１８からバイアス電圧１００Ｖが印加されている。この状態で、軟Ｘ線照射装置１６により上記板状突起部２２の間隙に９．５ｋｅＶのエネルギーの軟Ｘ線を照射する。このときの軟Ｘ線の照射方向は、図４（ａ）に示された板状突起部２２が形成された間隙の開口から間隙の内部に向かう方向である。これにより、板状突起部２２の間隙に存在する酸素、窒素等の空気の成分がイオン化し、発生したイオン（電荷）が上記バイアス電圧に引かれて絶縁材料層１２の表面付近に注入される。

図７には、図４に示された静電誘導型変換素子の出力電圧の測定結果が示される。図７の例では、横軸が経過時間、縦軸が出力電圧であり、静電誘導型変換素子全体を、振幅１８．７μｍ、振動数５００Ｈｚで振動させ、絶縁材料層１２に形成されたエレクトレットで発生する誘導起電力を、１０ＭΩの抵抗の両端電圧として測定した結果が示されている。図７に示されるように、出力電圧は、静電誘導型変換素子の振動にあわせて正弦波状となっている。また、このときの電圧振幅は、およそ３０ｍＶであり、外部電源なしに比較的大きな電圧出力が得られている。

図８には、図７における静電誘導型変換素子の振動の振幅を変更した場合における出力電圧の電圧振幅の測定結果が示される。図８において、横軸が静電誘導型変換素子の振動の振幅であり、縦軸が電圧振幅である。また、静電誘導型変換素子を振動させる振動数は５００Ｈｚとした。図８では、実線が予め算出した静電誘導型変換素子の振動の振幅に対する電圧振幅を示し、黒丸が実測値を示している。図８に示されるように、実測値は計算値とよく一致した。これにより、本実施例で作製したエレクトレットが正常に動作していることがわかった。

１０基材、１０ａ，１０ｂ櫛状の電極部分、１２絶縁材料層、１４保持部材、１６軟Ｘ線照射装置、１８バイアス電圧源、２０Ｈ形状素子、２２板状突起部、２４対向面、２６金属板、１００シリコン層、１０２酸化シリコン層、１０４金属層、１０６フォトレジスト。

Claims

単一の基材に形成され、所定の間隔以内の間隙を介して対向する、前記基材の表面に垂直な対向面と、
前記対向面に形成された絶縁材料層と、
前記対向する面の間に所定の電位差を印加しつつ前記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射することで、前記絶縁材料層の表面付近に注入された電荷と、
を備え、
前記間隙の深さをｈ、前記間隙の間隔をｇ、前記対向する面に直交する方向における前記基材の幅をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈ、であることを特徴とするエレクトレット。
単一の基材に形成された前記基材の表面に垂直な対向面の各々に、相互に所定の間隔以内の間隙を保って設けられ、自身が設けられた対向面に対向する他の対向面と所定の間隙を保ちながら交互に配置されてかみ合った板状突起部と、
前記板状突起部の表面に形成された絶縁材料層と、
前記対向する面の間に所定の電位差を印加しつつ前記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射することで、前記絶縁材料層の表面付近に注入された電荷と、
を備え、
前記間隙の深さをｈ、前記間隙の間隔をｇ、前記基材の対向面に直交する方向における前記基材の幅をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈ、であることを特徴とするエレクトレット。
単一の基材に間隙を形成し、
前記間隙を介して対向する面に絶縁材料層を形成し、
前記対向する面の間に所定の電位差を印加しつつ前記間隙の一つの開口から軟Ｘ線を照射し、前記絶縁材料層の表面付近に電荷を注入する、工程を有し、
前記間隙部の深さをｈ、前記間隙部の間隔をｇ、前記軟Ｘ線の照射方向とは異なる方向における前記基材の幅をＷとすると、ｇ≦２００μｍ、ｈ＞２ｇ、Ｗ≧ｈ、であることを特徴とするエレクトレットの製造方法。
請求項１または請求項２に記載のエレクトレットを備えることを特徴とする静電誘導型変換素子。