JP5628746B2 - 静電変換装置および静電変換装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電変換装置に関するものである。

近年、多数の携帯端末装置から構成されるユビキタスネットワークの開発が進んでいる。このユビキタスネットワークにおいて、ノードとなる携帯端末装置には、携帯性などの観点から、小型かつメンテナンス不要であることが望まれている（例えば、非特許文献１を参照。）。ところが、従来より携帯端末装置の電源に用いられている一次電池や二次電池は、携帯端末装置の他の構成要素と比較してサイズが大きいとともに、交換や充電などのメンテナンスが不可欠であった。

そこで、近年では、携帯端末装置に適した電源として、Energy harvesting技術を用いた手段が注目されている。このEnergy harvesting技術とは、環境の中に存在する振動、熱、電磁波（光や電波）など、通常は無駄に放出されていた各種エネルギーを電気エネルギーに変換する技術のことである。このようなEnergy harvesting技術のうち、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する技術としては、電磁誘導、圧電変換、静電変換などを用いた技術が提案されている（非特許文献２を参照。）。中でも静電変換を用いる技術は、半導体プロセスやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）プロセスにより、小型化が容易であり、かつ機械的要素と電気的要素を独立して設計や作製することが可能であることから、多くの提案がなされている。その一例を図１２に示す（非特許文献３を参照。）。

非特許文献３に開示された静電変換装置は、図１２に示すように、加振ステージ１０１０と、この加振ステージ１０１０上に設けられたシリコン基板からなる下部基板１０２０と、この下部基板１０２０と同等の材料からなり、下部基板１０２０の上方に所定距離離間して配置された上部基板１０３０と、この上部基板１０３０上に設けられた帯電絶縁膜１０４０と、この帯電絶縁膜１０４０上に設けられた金属板１０５０とを備えている。ここで、帯電絶縁膜１０４０は、一般に「エレクトレット」と呼ばれる電荷保持のための絶縁体として機能する。

下部基板１０２０には、下部基板１０２０の上面から立設された支持部材（図示せず）と、この支持部材に一端が接続されたばね部材（図示せず）と、このばね部材の他端により下部基板１０２０の平面方向に移動可能に支持された可動部材１０２１と、この可動部材１０２１上面に所定間隔離間して設けられた複数の可動電極１０２２と、支持部材、ばね部材および可動部材１０２１を取り囲むように下部基板１００２上面に設けられた第１のスペーサ部材１０２３とが形成されている。また、下部基板１０２０上面の外縁部には、可動電極１０２２に接続された第１のパッド１０２４と、後述する固定電極１０３１に接続された第２のパッド１０２５とが設けられている。
上部基板１０３０には、その下面において可動電極１０２２と離間して対向配置された固定電極１０３１と、上部基板１０３０の下面において第１のスペーサ部材１０２３と対向する位置に設けられ、第１のスペーサ部材１０２３と接続されることにより下部基板１０２０と上部基板１０３０とを所定間隔離間させる第２のスペーサ部材１０３２とを備えている。
ここで、可動電極１０２２と固定電極１０３１とは、約１０μｍ離間して配置されている。

このような静電変換装置は、公知のＭＥＭＳ技術により薄膜を堆積することによって製造されている。

図１２に示す静電変換装置は、可動電極１０２２を移動させて、エレクトレットとして機能する帯電絶縁膜１０４０により形成される静電場により、可動電極１０２２および固定電極１０３１に交互に誘導電荷を生じさせることによって、振動エネルギーを電気エネルギーに変換している。具体的には、加振ステージ１０１０、第２のパッド１０２５、金属板１０５０および外部負荷１０６０を接地するとともに、第１のパッド１０２４を外部負荷１０６０に接続した状態で加振ステージ１０１０を駆動させる。すると、加振ステージ１０１０上に配置された下部基板１０２０と、この下部基板１０２０と対向配置された上部基板１０３０とがそれらの平面方向に移動し、この移動に伴って可動電極１０２２が固定電極１０３１に対して相対的にその平面方向に移動する。これにより、可動電極１０２２と固定電極１０３１とにおいて、それらが対向する状態と、対向しない状態とが繰り返し生じることとなる。

このとき、可動電極１０２２と固定電極１０３１が対向している状態では、帯電絶縁膜１０４０により形成される静電場の影響が固定電極１０３１により遮蔽されるので、可動電極１０２２に正電荷が現れない一方、固定電極１０３１に正電荷が現れる。このような状態から、可動電極１０２２と固定電極１０３１とが対向しない状態、すなわち、可動電極１０２２と隣り合う固定電極１０３１の間の領域とが対向する状態になると、可動電極１０２２は、その領域から漏れ出る帯電絶縁膜１０４０により形成される静電場の影響を受ける。すると、その領域により誘導されていた正電荷は、固定電極１０３１から外部負荷１０６０を通って可動電極１０２２に移動することとなる。このような正電荷の移動が繰り返されることにより、外部負荷１０６０には交流電流が流れることになる。

このように、静電変換装置は、可動電極１０２２と固定電極１０３１との間で電荷を移動させることにより電流を発生させるものである。したがって、発電量を増加させるには、例えばそれらの電極の数量を増加させることが考えられる。これは、下部基板１０２０、上部基板１０３０および可動部材１０２１の面積を大きくすることにより実現することが可能である。

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しかしながら、可動部材１０２１は、上述したように薄膜の堆積により形成されているので、その面積を大きくしようとすると反りが大きくなってしまう。このように可動部材１０２１の反りが大きくなると、可動電極１０２２と固定電極１０３１との間隔が１０μｍ程度に設定されているので、可動電極１０２２と固定電極１０３１とが接触し、可動部材１０２１の水平方向の移動が阻害されてしまう。すると、発電量の増加どころか、発電すら行えなくなってしまう。

そこで、本願発明は、発電量を増加させることができる静電変換装置および静電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る静電変換装置は、第１の基板と、この第１の基板の上方に設けられ、当該第１の基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、この可動部材上に設けられた第１の電極と、可動部材の上方に当該可動部材と所定間隔離間して、かつ、第１の基板と互いに平行に配設された第２の基板と、この第２の基板の下面に設けられ、第１の電極と所定間隔離間して対向配置された第２の電極と、第２の基板の上面に設けられた帯電体とを備えた静電変換装置であって、可動部材は、互いに離間して複数設けられることを特徴とするものである。

そして、上記静電変換装置は、可動部材ごとに、第１の方向に直交しかつ第１の基板に対して平行な第２の方向の一方の側に、第１の基板上において第１の方向に所定間隔離間して設けられ、それぞれ第１の基板から上方に突出した棒状の部材から構成される複数の第１の柱部材と、第２の方向の他方の側に、第１の基板上において第１の柱部材と１対１に対向配置され、それぞれ第１の基板から上方に突出した棒状の部材から構成される複数の第２の柱部材と、それぞれ一端が第１の柱部材に支持され、他端が対向配置された第２の柱部材に向かって延在して対応する可動部材に接続された複数の第１の梁部材と、それぞれ一端が第２の柱部材に支持され、他端が対向配置された第１の柱部材に向かって延在して対応する可動部材に接続された複数の第２の梁部材とを備え、複数の第１の梁部材を互いに連結する第１の連結部材と、複数の第２の梁部材を互いに連結する第２の連結部材とをさらに備えることにより、複数の可動部材を互いに連結したことを特徴とするものである。

また、上記静電変換装置において、第１および第２の連結部材は、それぞれ、第１の方向に延在する棒状に形成され、複数の第１および第２の梁部材を第１の方向に沿って連結するようにしてもよい。

また、上記静電変換装置において、第１および第２の連結部材は、弾性を有する部材から構成されるようにしてもよい。

また、上記静電変換装置において、可動部材と第１の方向に対向配置された壁部材をさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明に係る静電変換装置の製造方法は、第１の基板と、この第１の基板の上方に設けられ、当該第１の基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、この可動部材上に設けられた第１の電極と、可動部材の上方に当該可動部材と所定間隔離間し、かつ、第１の基板と互いに平行に配設された第２の基板と、この第２の基板の下面に設けられ、第１の電極と所定間隔離間して対向配置された第２の電極と、第２の基板の上面に設けられた帯電体とを備え、可動部材が互いに離間して複数設けられた静電変換装置の製造方法であって、上面に第１の絶縁膜が形成されたシリコン基板を第１の基板として用意する第１のステップと、第１の絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第１の開口部が形成された第１のレジストパターンを形成する第２のステップと、メッキ法により第１の開口部内に金属を堆積して第１の金属パターンを形成した後、第１のレジストパターンを除去する第３のステップと、第１の金属パターンを含む絶縁膜上に、第１の金属パターンの上面を露出させた第１の犠牲層を形成する第４のステップと、第１の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第２の開口部が形成された第２のレジストパターンを形成する第５のステップと、メッキ法により第２の開口部内に金属を堆積して第２の金属パターンを形成した後、第２のレジストパターンを除去することにより、可動部材を形成する第６のステップと、第２の金属パターンを含む第１の犠牲層上に、第２の金属パターンの上面を露出させた第２の犠牲層を形成する第７のステップと、第２の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第３の開口部が形成された第３のレジストパターンを形成する第８のステップと、メッキ法により第３の開口部内に金属を堆積して第３の金属パターンを形成した後、第３のレジストパターンを除去することにより第１の電極を形成する第９のステップと、第１の犠牲層および第２の犠牲層を除去する第１０のステップと、上面に第２の絶縁膜が形成されたシリコン基板を第２の基板として用意する第１１のステップと、第２の絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第４の開口部が形成された第４のレジストパターンを形成する第１２のステップと、メッキ法により第４の開口部内に金属を堆積して第４の金属パターンを形成した後、第４のレジストパターンを除去することにより、第２の電極を形成する第１３のステップと、第２の基板の下面に絶縁体を塗布し、加熱硬化させた後、帯電処理を行うことにより、帯電体を形成する第１４のステップと、第２の基板を第１の基板の上方に配設することにより、第２の電極と第１の電極とを対向配置させる第１５のステップとを有することを特徴とするものである。

上記静電変換装置の製造方法において、静電変換装置は、複数の可動部材を連結する連結部材をさらに備え、第６のステップは、可動部材とともに連結部材を形成するようにしてもよい。

本発明によれば、可動部材を複数設けることにより、各可動部材の面積が反りが発生しない程度の小さなものとすることによって、これらの可動部材の合計の面積を大きくすることが可能となるので、第１の電極の数量を増加させることができ、結果として、発電量を増加させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の構成を断面模式的に示す正面図である。 図２は、図１のI-I線方向からの平面図である。 図３は、図２のIII-III線断面図である。 図４は、図１のII-II線方向からの平面図である。 図５は、図４のIV-IV線断面図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る静電変換装置による発電動作を説明するための図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る静電変換装置による発電動作を説明するための図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｄは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｅは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｆは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｇは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｈは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｉは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図８Ｊは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図９Ｃは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図９Ｄは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図９Ｅは、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の製造方法を説明するための模式図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る静電変換装置の変形例を示す平面図である。 図１２は、従来の静電変換装置の構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［静電変換装置の構成］
図１〜図５に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置１は、平面視略矩形の板の形状を有し、上面に酸化シリコン等の第１の絶縁膜２１が形成されたシリコン等からなる半導体基板（以下、「下部基板」と言う。）２と、この下部基板２と同等の形状を有し、下部基板２の上方に所定距離離間するとともに下部基板２と互いに平行に配設され、下面に酸化シリコン等の第２の絶縁膜３１が形成されたシリコン等からなる半導体基板（以下、「上部基板」と言う。）３とを備えている。
ここで、下部基板２は、長辺が下部基板２の平面に対して平行な第１の方向（以下、「Ｘ方向」と言う。）、短辺が下部基板２の平面に対して平行でかつ第１の方向と直交する第２の方向（以下、「Ｙ方向」と言う。）に沿って配置されているものとする。

＜下部基板の構成＞
下部基板２の第１の絶縁膜２１上には、Ｘ方向に並設された複数の可動部４と、これらの可動部４を連結する連結部材２２ａ，２２ｂと、各可動部４をＸ方向の両側から挟むように設けられた一対の壁部材２３ａ、２３ｂと、これらを取り囲むように下部基板２の縁部近傍から立設された第１のスペーサ部材２４と、この第１のスペーサ部材２４と下部基板２の縁部との間の領域に設けられた複数の電極２５とが設けられている。ここで、可動部４、壁部材２３ａ，２３ｂおよび第１のスペーサ部材２４は、第１の絶縁膜２１上に離間して配置されることにより、互いに絶縁分離されている。

≪可動部の構成≫
可動部４は、第１の絶縁膜２１上においてＸ方向に所定間隔離間して設けられた３つの第１の柱部材４１ａ〜４１ｃと、第１の絶縁膜２１上において第１の柱部材４１ａ〜４１ｃと１対１にＹ方向に対向配置された３つの第２の柱部材４２ａ〜４２ｃと、一端が第１の柱部材４１ａ〜４１ｃに支持され他端が対向配置された第２の柱部材４２ａ〜４２ｃに向かって延在する第１の梁部材４３ａ〜４３ｃと、一端が第２の柱部材４２ａ〜４２ｃに支持され他端が対向配置された第１の柱部材４１ａ〜４１ｃに向かって延在する第２の梁部材４４ａ〜４４ｃと、第１の梁部材４３ａ〜４３ｃおよび第２の梁部材４４ａ〜４４ｃの他端に接続されることにより、Ｘ方向に揺動可能に支持された可動部材４５と、この可動部材４５上においてＸ方向に所定の間隔離間して並設された３つの第１の電極（以下、「可動電極」と言う。）４６ａ〜４６ｃとから構成される。
便宜上、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向、すなわち下部基板２の平面に対して垂直な方向を「Ｚ方向」と言う。また、Ｘ方向において、第１の柱部材４１ａから第１の柱部材４１ｂに向かう側を正の側とする。同様に、Ｙ方向において、第１の柱部材４１ａ〜４１ｃから第２の柱部材４２ａ〜４２ｃに向かう方向を正の側とする。同様に、Ｚ方向において、下部基板２から離間する側を上側または上方、下部基板２に近づく側を下側または下方とする。

第１の柱部材４１ａ〜４１ｃは、第１の絶縁膜２１上から上方に突出した金属からなる棒状の部材から構成される。上述したように、第１の柱部材４１ａの上端には第１の梁部材４３ａの一端、第１の柱部材４１ｂの上端には第１の梁部材４３ｂの一端、第１の柱部材４１ｃの上端には第１の梁部材４３ｃの一端がそれぞれ接続されている。

第２の柱部材４２ａ〜４２ｃは、第１の絶縁膜２１上から上方に突出した金属からなる棒状の部材から構成される。上述したように、第２の柱部材４２ａの上端には第２の梁部材４４ａの一端、第２の柱部材４２ｂの上端には第２の梁部材４４ｂの一端、第２の柱部材４２ｃの上端には第２の梁部材４４ｃの一端がそれぞれ接続されている。

第１の梁部材４３ａ〜４３ｃは、Ｙ方向に沿って延在する金属からなる棒状の部材から構成される。上述したように、第１の梁部材４３ａの一端は、第１の柱部材４１ａの上端に接続され、他端は、可動部材４５の１つの側面に接続されている。同様に、第１の梁部材４３ｂの一端は、第１の柱部材４１ｂの上端に接続され、他端は、可動部材４５の１つの側面に接続されている。同様に、第１の梁部材４３ｃの一端は、第１の柱部材４１ｃの上端に接続され、他端は、可動部材４５の１つの側面に接続されている。

第２の梁部材４４ａ〜４４ｃは、Ｙ方向に沿って延在する金属からなる棒状の部材から構成される。上述したように、第２の梁部材４４ａの一端は、第２の柱部材４２ａの上端に接続され、他端は、可動部材４５の１つの側面に接続されている。同様に、第２の梁部材４４ｂの一端は、第２の柱部材４２ｂの上端に接続され、他端は、可動部材４５の１つの側面に接続されている。同様に、第２の梁部材４４ｃの一端は、第２の柱部材４２ｃの上端に接続され、他端は、可動部材４５の１つの側面に接続されている。

このような第１の梁部材４３ａ〜４３ｃおよび第２の梁部材４４ａ〜４４ｃは、少なくともＸ方向に可撓性を有するように形成されている。これは、例えば、幅よりも厚さの方を大きく、言い換えるとＺＸ方向の断面においてＸ方向の長さよりもＺ方向の長さの方が大きくなるように形成することにより、実現することができる。

可動部材４５は、金属からなる直方体の部材から構成され、上面および下面の長辺がＸ方向に沿い、短辺がＹ方向に沿うように配設され、かつ、上面および下面の面積が可動電極４６ａ〜４６ｃと固定電極３２ａ〜３２ｃとが接触してしまう程度の反りが発生しない大きさに形成されている。ここで、可動部材４５の第１の柱部材４１ａ〜４１ｃと対向する側面には、第１の梁部材４３ａ〜４３ｃの他端が接続され、第２の柱部材４２ａ〜４２ｃと対向する側面には、第２の梁部材４４ａ〜４４ｃが接続されている。これにより、可動部材４５は、第１の梁部材４３ａ〜４３ｃおよび第２の梁部材４４ａ〜４４ｃによって下部基板２上方に吊設されることとなる。このとき、上述したように第１の梁部材４３ａ〜４３ｃおよび第２の梁部材４４ａ〜４４ｃがＸ方向に可撓性を有するので、可動部材４５は、Ｘ方向に揺動可能な状態、すなわちＸ方向の正負両側に往復移動が可能な状態とされている。したがって、静電変換装置１が外力を受けると、可動部材４５は、下部基板２に対して相対的に移動する。また、静電変換装置１自体が振動すると、可動部材４５は、下部基板２に対して相対的に往復運動することとなる。

可動電極４６ａ〜４６ｃは、Ｙ方向に沿って延在する金属からなる棒状の部材から構成され、可動部材４５の上面においてＸ方向に所定間隔離間して並設されている。

≪連結部材の構成≫
連結部材２２ａ，２２ｂは、Ｘ方向に延在する金属からなる棒状の部材から構成される。連結部材２２ａは、一端が最も負の側に位置する可動部４の第１の梁部材４３ａに、他端がＸ方向の最も正の側に位置する可動部４の第１の梁部材４３ｃに接続されるとともに、これらの間に位置する第１の梁部材４３ａ〜４３ｃとも結合されている。これにより、各可動部４の第１の梁部材４３ａ〜４３ｃは、連結部材２２ａによってＸ方向に連結される。同様に、連結部材２２ｂは、一端が最も負の側に位置する可動部４の第２の梁部材４４ａに、他端がＸ方向の最も正の側に位置する可動部４の第２の梁部材４４ｃに接続されるとともに、これらの間に位置する第２の梁部材４４ａ〜４４ｃとも結合されている。これにより、各可動部４の第２の梁部材４４ａ〜４４ｃは、連結部材２２ｂによってＸ方向に連結される。したがって、各可動部４の可動部材４５は、連結部材２２ａ，２２ｂによって、第１の梁部材４３ａ〜４３ｃおよび第２の梁部材４４ａ〜４４ｃを介して、Ｘ方向に配列された状態で連結されているので、他の可動部材４５とともにＸ方向に連動することとなる。

≪壁部材の構成≫
壁部材２３ａ，２３ｂは、金属からなる直方体の部材から構成され、上面および下面の長辺がＹ軸方向に沿い、短辺がＸ軸方向に沿うように配設されている。このような壁部材２３ａ，２３ｂは、可動部材４５毎に設けられる。また、壁部材２３ａのＸ方向における正の側に位置する側面は、可動部材４５のＸ方向における負の側に位置する側面と対向配置されている。さらに、壁部材２３ｂのＸ方向における負の側に位置する側面は、可動部材４５のＸ方向における正の側に位置する側面と対向配置されている。

≪スペーサ部材の構成≫
第１のスペーサ部材２４は、金属からなり、長辺がＸ方向、短辺がＹ方向に沿った平面視略矩形の筒状の部材から構成される。

≪電極の構成≫
電極２５は、下部基板２のＸ軸に平行な両辺と第１のスペーサ部材２４との間の領域において、Ｘ方向に複数並設されている。
このような複数の電極２５には、下部基板２内部に形成された配線２６ａを介して可動部４の壁部材２３ａ，２３ｂと接続される電極２５ａが含まれる。この電極２５ａは、接地されることにより、壁部材２３ａ，２３ｂの帯電を防ぐことができる。
また、下部基板２内部に形成された配線２６ｂを介して、その可動部４の第１の柱部材４１ｂと接続される電極２５ｂも含まれる。上述したように、各可動部材４５は金属からなる連結部材２２ａ，２２ｂにより連結されている。したがって、電極２５ｂは、各可動部４の可動電極４６ａ〜４６ｃと電気的に接続されることとなる。
さらに、下部基板２内部に形成された配線２６ｃを介して、第１のスペーサ部材２４内部の第１の絶縁膜２１上に形成された電極２５ｄと接続される電極２５ｃも含まれる。この電極２５ｄは、後述する上部基板３の電極３６と接続される。

＜上部基板の構成＞
上部基板３の下面に設けられた第２の絶縁膜３１上には、第２の絶縁膜３１上において可動電極４６ａ〜４６ｃに１対１に対応して設けられた第２の電極（以下、「固定電極」と言う。）３２ａ〜３２ｃと、第１のスペーサ部材２４と同等の平面形状を有し、固定電極３２ａ〜３２ｃを取り囲むように上部基板３の縁部近傍から立設された第２のスペーサ部材３３とが設けられている。ここで、固定電極３２ａ〜３２ｃと第２のスペーサ部材３３とは、第２の絶縁膜３１上において互いに離間して配置されることにより、絶縁分離されている。
また、上部基板３の上面には、帯電絶縁膜３４が設けられている。

固定電極３２ａ〜３２ｃは、それぞれＹ方向に沿って延在する金属からなる棒状の部材から構成され、第２の絶縁膜３１上においてＸ方向に所定間隔離間して並設されている。このような固定電極３２ａ〜３２ｃは、Ｚ方向に対向配置された可動部４毎に設けられ、可動部材４５が停止している状態において可動電極４６ａ〜４６ｃと１対１に対向する位置に配置されている。また、各固定電極３２ａ〜３２ｃは、配線３５により互いに接続されている。この配線３５の一端には、電極３６が設けられている。この電極３６は、例えば後述するように公知のＭＥＭＳ技術により金属パターンを積層することによって、上述した下部基板２の電極２５ｄに接続される。

第２のスペーサ部材３３は、金属からなり、長辺がＸ方向、短辺がＹ方向に沿った平面視略矩形の筒状の部材から構成される。この第２のスペーサ部材３３の下面は、第１のスペーサ部材２４の上面と接合される。この接合のため、第２のスペーサ部材３３は、銀ペースト等の接着剤３３ａにより覆われている。

帯電絶縁膜３４は、上部基板３の上面に形成され、予め電子を帯電したエレクトレットとして機能する。この帯電は、後述するように電子ビーム法、液体接触法、コロナ放電法などによって実現される。

このような静電変換装置１において、電極２５ｃと電極２５ｂとは、外部負荷に接続される。これにより、固定電極３２ａ〜３２ｃと可動電極４６ａ〜４６ｃとは、その外部負荷を介して電気的に接続されることとなる。

［静電変換装置の発電動作］
次に、図６，図７を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置１による発電動作について説明する。以下においては、静電変換装置１の電極２５ｃと電極２５ｂとに外部負荷５が接続されている場合を例に説明する。

まず、図６に示すように、可動部材４５が静止しているとき、可動電極４６ａ〜４６ｃと固定電極３２ａ〜３２ｂとは、対向配置されている。このような状態において、固定電極３２ａ〜３２ｃは、帯電絶縁膜３４により形成される静電場の影響を受けるので、静電誘導の原理により帯電絶縁膜３４の負電荷に対応した正電荷が固定電極３２ａ〜３２ｃに現れる。一方、可動電極４６ａ〜４６ｃには、対向配置された固定電極３２ａ〜３２ｃにより、帯電絶縁膜３４により形成される静電場の影響が遮断されるので、正電荷が現れない。

このような状態において、例えば静電変換装置１が振動させられると、質量を有する可動部材４５がＸ方向に揺動する。可動部材４５がＸ方向の正の向きに移動したときには、図７に示すように、可動電極４６ａ〜４６ｃもＸ方向の正の向きに移動し、帯電絶縁膜３４により形成される静電場の影響を遮蔽していた固定電極３２ａ〜３２ｃから遠ざかる。すると、可動電極４６ａ〜４６ｃは、第２の絶縁膜３１と対向し、この位置から漏れ出る帯電絶縁膜３４により形成される静電場の影響を受けるので、静電誘導の原理により帯電絶縁膜３４の負電荷に対応した正電荷が現れる。この正電荷は、固定電極３２ａ〜３２ｃと可動電極４６ａ〜４６ｃとが外部負荷５を介して接続されていることから、図６において固定電極３２ａ〜３２ｃに現れた正電荷が移動してきたものである。

このように、静電変換装置１が振動させられることによって可動部材４５がＸ方向に揺動すると、固定電極３２ａ〜３２ｃと可動電極４６ａ〜４６ｃとに交互に正電荷が誘導されるので、外部負荷５に交流電流が流れることとなる。

［静電変換装置の製造方法］
次に、本実施の形態に係る静電変換装置の製造方法の一例について、図８Ａ〜図１０を参照して説明する。なお、図８Ａ〜図１０において、左側の図は図３または図５の場合と同様のＺＹ平面における断面図、右側の図は図１の場合と同様のＺＸ平面における断面図を示している。

＜下部基板の製造方法＞
まず、例えば、酸化シリコンからなる第１の絶縁膜２１が上面に形成された、シリコンからなる下部基板２を用意する。この下部基板２は、複数のトランジスタ、抵抗、容量、配線などから構成された半導体集積回路を備えるようにしてもよい。この場合、集積回路の配線や、パッドの配線などと電気的に接続するためのコンタクトホールなどが、第１の絶縁膜２１の所定の箇所に形成されていてもよい。

このような下部基板２に対して、図８Ａに示すように、第１の絶縁膜２１上に第１のシード層１０１を形成する。この第１のシード層１０１は、例えば、スパッタ法や蒸着法などにより、第１の絶縁膜２１上にチタンを堆積した後、この上に金を堆積することにより形成することができる。この場合、チタンの膜厚は０．１μｍ程度、金の膜厚は０．１μｍ程度とすればよい。

第１のシード層１０１を形成した後、この第１のシード層１０１の上にレジスト材料を塗布し、このレジスト材料に対して所望のパターンを有するマスクを用いて露光することにより、第１のシード層１０１上の所望の位置に開口部が形成されたレジストパターンを形成する。このとき、その開口部からは、第１のシード層１０１が露出している。このようなレジストパターンを形成した後、例えばメッキ法により、そのレジストパターンの開口部内に金を堆積した後、そのレジストパターンを除去することにより、図８Ｂに示すように、第１のシード層１０１上に上方に突出した柱状の第１の金属パターン１０２を形成する。このとき、例えば、塗布するレジスト材料の膜厚を２０μｍ程度、メッキ膜の膜厚を１５μｍ程度とすることにより、第１の金属パターン１０２の高さを１５μｍ程度に形成することができる。

第１の金属パターン１０２を形成した後、この第１の金属パターン１０２をマスクとして第１のシード層１０１をエッチング除去し、図８Ｃに示すように、第１の金属パターン１０２が第１の絶縁膜２１の上で互いに分離した状態とする。これにより、第１の柱部材４１ａ〜４１ｃの下部、第２の柱部材４２ａ〜４２ｃの下部、壁部材２３ａ，２３ｂの下部、第１のスペーサ部材２４の下部、および、電極２５が形成される。

第１のシード層１０１のエッチング除去は、例えば、第１のシード層１０１の上層にある金を、硝酸と塩酸からなる王水エッチング液でウエットエッチングした後、このウエットエッチングにより露出した第１のシード層１０１の下層にあるチタンを、フッ化水素水溶液によりウエットエッチングすることにより行うことができる。

第１のシード層１０１を選択的にエッチング除去した後、図８Ｄに示すように、第１の絶縁膜２１上に第１の犠牲層１０３を形成する。このとき、第１の金属パターン１０２の上面は、第１の犠牲層１０３表面に露出した状態とされる。このような第１の犠牲層１０３は、例えば、ＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）からなる感光性有機樹脂を第１の絶縁膜２１上に塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を公知のリソグラフィ技術によりパターニングすることにより形成することができる。そのパターニングでは、前処理として１２０℃のプリベークを４分間行い、パターニング後に３１０℃の加熱処理を行い、有機樹脂の膜が熱硬化された状態とする。その有機樹脂としては、例えば、住友ベークライト社製のＣＲＣ８３００を用いることができる。

第１の犠牲層１０３を形成した後、図８Ｅに示すように、上述した第１のシード層１０１を形成した方法と同様の方法により第１の犠牲層１０３上に第２のシード層１０４を形成し、上述した第１の金属パターン１０２を形成した方法と同様の方法により第２のシード層１０４上に第２の金属パターン１０５を形成する。ここで、第２の金属パターン１０５の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を４０μｍ程度、メッキの膜厚２５μｍ程度に形成された状態とすればよい。

第２の金属パターン１０５を形成した後、第１のシード層１０１をエッチング除去した方法と同様の方法により、第２の金属パターン１０５をマスクとして第２のシード層１０４をエッチング除去し、図８Ｆに示すように、第２の金属パターン１０５が第１の犠牲層１０３上で互いに分離した状態とする。これにより、第１の柱部材４１ａ〜４１ｃの上部、第２の柱部材４２ａ〜４２ｃの上部、第１の梁部材４３ａ〜４３ｃ、第２の梁部材４４ａ〜４４ｃ、可動部材４５、連結部材２２ａ，２２ｂ、壁部材２３ａ，２３ｂの上部、第１のスペーサ部材２４の上部が形成される。

第２のシード層１０４を選択的にエッチング除去した後、図８Ｇに示すように、第１の犠牲層１０３上に第２の犠牲層１０６を形成する。このとき、第２の金属パターン１０５の上面は、第２の犠牲層１０６表面に露出した状態とされる。このような第２の犠牲層１０６を形成する工程は、上述した第１の犠牲層１０３を形成する工程と同等の方法により行うことができる。

第２の犠牲層１０６を形成した後、図８Ｈに示すように、第１のシード層１０１を形成した方法と同等の方法により、第２の犠牲層１０６上に第３のシード層１０７を形成し、第１の金属パターン１０２や第２の金属パターン１０５を形成した方法と同等の方法により、その第３のシード層１０７上に第３の金属パターン１０８を形成する。ここで、第３の金属パターン１０８の形成時には、マスクとなるレジストパターンの膜厚を１０μｍ程度、メッキの膜厚５μｍ程度に形成された状態とすればよい。

第３の金属パターン１０８を形成した後、図８Ｉに示すように、第１のシード層１０１や第２のシード層１０４をエッチング除去した方法と同等の方法により、第３の金属パターン１０８をマスクとして第３のシード層１０７を除去する。これにより、第３の金属パターン１０８が第２の犠牲層１０６上で分離した状態とする。これにより、可動電極４６ａ〜４６ｃが形成される。

第３のシード層１０７を選択的にエッチング除去した後、図８Ｊに示すように、第１の犠牲層１０３および第２の犠牲層１０６を除去する。これにより、可動部４の一部を構成する第２のシード層１０４の下方に空間が形成された状態となる。第１の犠牲層１０３および第２の犠牲層１０６の除去は、例えば、オゾンアッシャー装置を用いてオゾンを第１の犠牲層１０３および第２の犠牲層１０６に作用させることにより、行うことができる。

＜上部基板の製造方法＞
次に、例えば、酸化シリコンからなる第２の絶縁膜３１が一方の面に形成された、シリコンからなる上部基板３を用意する。ここで、上部基板３は、複数のトランジスタ、抵抗、容量、配線などから構成された半導体集積回路を備えるようにしてもよい。この場合、集積回路の配線や、パッドの配線などと電気的に接続するためのコンタクトホールなどが、第２の絶縁膜３１の所定の箇所に形成されていてもよい。

このような上部基板３に対して、図９Ａに示すように、上述した第１のシード層１０１等を形成した方法と同様の方法により第２の絶縁膜３１上に第４のシード層３０１を形成し、第１の金属パターン１０２等を形成した方法と同様の方法により第４のシード層３０１上に第４の金属パターン３０２を形成する。ここで、第４の金属パターン３０２の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を５μｍ程度、メッキの膜厚１μｍ程度に形成された状態とすればよい。これにより、固定電極３２ａ〜３２ｃおよび第２のスペーサ部材３３それぞれの一部が形成される。

第４の金属パターン３０２を形成した後、図９Ｂに示すように、上述した第１の金属パターン１０２を形成した方法と同様の方法により第４の金属パターン３０２上に第５の金属パターン３０３を形成する。ここで、第５の金属パターン３０３の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を３０μｍ程度、メッキの膜厚２０μｍ程度に形成された状態とすればよい。これにより、第２のスペーサ部材３３の一部が形成される。

第５の金属パターン３０３を形成した後、第１のシード層１０１等をエッチング除去した方法と同様の方法により、第４の金属パターン３０２および第５の金属パターン３０３をマスクとして第４のシード層３０１をエッチング除去し、第４の金属パターン３０２および第５の金属パターン３０３が第４のシード層３０１上で互いに分離した状態とする。これにより、第２のスペーサ部材３３の一部が形成される。そして、第２の絶縁膜３１上に表面保護のためのレジスト３０４を塗布する。これにより、図９Ｃに示すように、第４のシード層３０１、第４の金属パターン３０２および第５の金属パターン３０３がレジスト３０４により覆われた状態となる。

次に、図９Ｄに示すように、上部基板３の第２の絶縁膜３１が設けられていない側の面上に、スピンコート等により絶縁材料を塗布し、加熱硬化させることにより、帯電絶縁膜３４を形成する。ここで、帯電絶縁膜３４は、厚さ２０μｍ程度に形成される。

帯電絶縁膜３４を加熱硬化した後、上部基板３に対して、例えば、公知の電子ビーム法、液体接触法、コロナ放電法などの方法により、帯電処理を行う。例えば、印加電圧を−１０００Ｖ、印加時間を６０分とすればよい。このような帯電処理により、絶縁膜４の表面には負電荷が帯電した状態となる。

次に、図９Ｅに示すように、リムーバによってレジスト３０４を除去した後、上部基板３を水洗いする。

＜下部基板と上部基板の接合＞
次に、図１０に示すように、下部基板２の第１の絶縁膜２１が形成された側の面と、上部基板３の第２の絶縁膜３１が形成された側の面とを対向させ、下部基板２に形成された第１のスペーサ部材２４として機能する第２の金属パターン１０５の上面と、上部基板３に形成された第２のスペーサ部材３３として機能する第５の金属パターン３０３の上面とを貼り合わせる。この貼り合わせる方法としては、公知のＣＯＣ（Chip On Chip）接合や、常温ＳＡＢ（Surface Activated Bonding ）接合などにより行うことができる。本実施の形態では、第２のスペーサ部材３３を構成する第４のシード層３０１、第３の金属パターン３０２および第５の金属パターン３０３を銀ペースト３０５で覆った後、上述したように、第２の金属パターン１０５の上面と第５の金属パターン３０３の上面とを貼り合わせることにより、下部基板２と上部基板３とを接合する。これにより、静電変換装置１が完成する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動部材４５を複数設けることにより、各可動部材４５の面積が反りが発生しない程度の小さなものとすることによって、これらの可動部材４５の合計の面積を大きくすることが可能となるので、可動電極４６ａ〜４６ｃの数量を増加させることができ、結果として、発電量を増加させることができる。

また、本実施の形態によれば、複数の可動部材４５を連結する連結部材２２ａ，２２ｂを設けることにより、複数の可動部材４５を連結部材２２ａ，２２ｂの延在方向であるＸ方向に配列した状態で連結することによって、複数の可動部材４５が一斉に同じ方向に移動し、各可動部材４５上に設けられた複数の可動電極４６ａ〜４６ｃと、この可動電極４６ａ〜４６ｃと対向配置された固定電極３２ａ〜３２ｃとの間で一斉に電荷が移動することとなり、結果として、発電量を増加させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、壁部材２３ａ，２３ｂを設けることにより、可動部材４５の移動量を制限するとともに、可動部材４５が隣り合う可動部材４５や他の構成要素との接触を防ぐことが可能となるので、結果として、可動部材４５が破損するのを防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、連結部材２２ａ，２２ｂにより各可動部４の可動部材４５を連結する場合を例に説明したが、連結部材２２ａ，２２ｂを設けずに、可動部材４５を連結しないようにしてもよい。このようにしても、本実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。

また、本実施の形態において、連結部材２２ａ，２２ｂを直線状の棒に形成する場合を例に説明したが、連結部材の構成はこれに限定されず適宜自由に設定することができる。例えば、図１１に示すように、隣り合う可動部４の間の部分がミアンダ形状をなしている弾性部２２１ａ，２２１ｂを備えた連結部材２２ａ’，２２ｂ’とするようにしてもよい。このような連結部材２２ａ’，２２ｂ’を設けることにより、各可動部４の共振周波数を複数設定することが可能となるので、多モードの発電動作を実現することができる。

また、本実施の形態において、壁部材２３ａ，２３ｂは、１つの可動部材４５に対して２つずつ設ける場合を例に説明したが、可動部材４５のＸ方向の正負両側に壁部材が設けられるのであれば壁部材の数量はそれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、隣り合う可動部材４５の間には、壁部材を１つのみ設けるようにしてもよい。これにより、小型化を実現することができる。

本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電変換装置に適用することができる。

１…静電変換装置、２，２’…下部基板、３…上部基板、４…可動部、２１…第１の絶縁膜、２２ａ，２２ｂ、２２ａ’，２２ｂ’…連結部材、２３ａ，２３ｂ…壁部材、２４…第１のスペーサ部材、２５，２５ａ〜２５ｃ，２６ａ〜２６ｃ…配線、３６…電極、３１…第２の絶縁膜、３２ａ〜３２ｃ…固定電極、３３…第２のスペーサ部材、３４…帯電絶縁膜、３５…配線、４１ａ〜４１ｃ…第１の柱部材、４２ａ〜４２ｃ…第２の柱部材、４３ａ〜４３ｃ…第１の梁部材、４４ａ〜４４ｃ…第２の梁部材、４５…可動部材、４６ａ〜４６ｃ…可動電極、１０１…第１のシード層、１０２…第１の金属パターン、１０３…第１の犠牲層、１０４…第２のシード層、１０５…第２の金属パターン、１０６…第２の犠牲層、１０７…第３のシード層、１０８…第３の金属パターン、３０１…第４のシード層、３０２…第４の金属パターン、３０３…第５の金属パターン、３０４…レジスト。

Claims (6)

1. 第１の基板と、
   この第１の基板の上方に設けられ、当該第１の基板に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、
   この可動部材上に設けられた第１の電極と、
   前記可動部材の上方に当該可動部材と所定間隔離間して、かつ、前記第１の基板と互いに平行に配設された第２の基板と、
   この第２の基板の下面に設けられ、前記第１の電極と所定間隔離間して対向配置された第２の電極と、
   前記第２の基板の上面に設けられた帯電体と
   を備えた静電変換装置であって、
   前記可動部材は、互いに離間して複数設けられ、
   前記可動部材ごとに、
   前記第１の方向に直交しかつ前記第１の基板に対して平行な第２の方向の一方の側に、前記第１の基板上において前記第１の方向に所定間隔離間して設けられ、それぞれ前記第１の基板から上方に突出した棒状の部材から構成される複数の第１の柱部材と、
   前記第２の方向の他方の側に、前記第１の基板上において前記第１の柱部材と１対１に対向配置され、それぞれ前記第１の基板から上方に突出した棒状の部材から構成される複数の第２の柱部材と、
   それぞれ一端が前記第１の柱部材に支持され、他端が対向配置された前記第２の柱部材に向かって延在して対応する前記可動部材に接続された複数の第１の梁部材と、
   それぞれ一端が前記第２の柱部材に支持され、他端が対向配置された前記第１の柱部材に向かって延在して対応する前記可動部材に接続された複数の第２の梁部材と、
   を備え、
   複数の前記第１の梁部材を互いに連結する第１の連結部材と、
   複数の前記第２の梁部材を互いに連結する第２の連結部材と
   をさらに備えることにより、複数の前記可動部材を互いに連結した
   ことを特徴とする静電変換装置。
2. 前記第１および第２の連結部材は、それぞれ、前記第１の方向に延在する棒状に形成され、複数の前記第１および第２の梁部材を前記第１の方向に沿って連結する
   ことを特徴とする請求項１記載の静電変換装置。
3. 前記第１および第２の連結部材は、弾性を有する部材から構成される
   ことを特徴とする請求項１または２記載の静電変換装置。
4. 前記可動部材と前記第１の方向に対向配置された壁部材
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の静電変換装置。
5. 第１の基板と、この第１の基板の上方に設けられ、当該第１の基板の平面に対して平行な第１の方向に移動可能に支持された可動部材と、この可動部材上に設けられた第１の電極と、前記可動部材の上方に当該可動部材と所定間隔離間して、かつ、前記第１の基板と互いに平行に配設された第２の基板と、この第２の基板の下面に設けられ、前記第１の電極と所定間隔離間して対向配置された第２の電極と、前記第２の基板の上面に設けられた帯電体とを備え、前記可動部材が互いに離間して複数設けられた静電変換装置の製造方法であって、
   上面に第１の絶縁膜が形成されたシリコン基板を前記第１の基板として用意する第１のステップと、
   前記第１の絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第１の開口部が形成された第１のレジストパターンを形成する第２のステップと、
   メッキ法により前記第１の開口部内に金属を堆積して第１の金属パターンを形成した後、前記第１のレジストパターンを除去する第３のステップと、
   前記第１の金属パターンを含む前記絶縁膜上に、前記第１の金属パターンの上面を露出させた第１の犠牲層を形成する第４のステップと、
   前記第１の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第２の開口部が形成された第２のレジストパターンを形成する第５のステップと、
   メッキ法により前記第２の開口部内に金属を堆積して第２の金属パターンを形成した後、前記第２のレジストパターンを除去することにより、前記可動部材を形成する第６のステップと、
   前記第２の金属パターンを含む前記第１の犠牲層上に、前記第２の金属パターンの上面を露出させた第２の犠牲層を形成する第７のステップと、
   前記第２の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第３の開口部が形成された第３のレジストパターンを形成する第８のステップと、
   メッキ法により前記第３の開口部内に金属を堆積して第３の金属パターンを形成した後、前記第３のレジストパターンを除去することにより前記第１の電極を形成する第９のステップと、
   前記第１の犠牲層および前記第２の犠牲層を除去する第１０のステップと、
   上面に第２の絶縁膜が形成されたシリコン基板を前記第２の基板として用意する第１１のステップと、
   前記第２の絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第４の開口部が形成された第４のレジストパターンを形成する第１２のステップと、
   メッキ法により前記第４の開口部内に金属を堆積して第４の金属パターンを形成した後、前記第４のレジストパターンを除去することにより、前記第２の電極を形成する第１３のステップと、
   前記第２の基板の下面に絶縁体を塗布し、加熱硬化させた後、帯電処理を行うことにより、前記帯電体を形成する第１４のステップと、
   前記第２の基板を前記第１の基板の上方に配設することにより、前記第２の電極と前記第１の電極とを対向配置させる第１５のステップと
   を有することを特徴とする静電変換装置の製造方法。
6. 前記静電変換装置は、複数の前記可動部材を連結する連結部材をさらに備え、
   前記第６のステップは、前記可動部材とともに前記連結部材を形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の静電変換装置の製造方法。

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