JP5680934B2 - 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、携帯端末装置の構成要素と比較してサイズが大きくなるとともに、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１５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１５に示すように、２０ｍｍ角程度のガラス板からなる下部基板７０１と、この下部基板７０１と同等の材料からなり、下部基板７０１の上方に所定距離離間し、かつ、下部基板７０１と互いに平行に配置された上部基板７０２と、この上部基板７０２の一端に連結され、上部基板７０２をその平面に平行な方向に振動させる加振器７０３とを備えている。下部基板７０１の上部基板７０２と対向する側の面上には、複数の電極７０４が設けられている。同様に、上部基板７０２の下部基板７０１と対向する側の面上には、複数の電極７０５が設けられている。これらの電極７０４および電極７０５は、対向配置されており、外部負荷７０６を介して電気的に接続されている。また、下部基板７０１に設けられた電極７０４の一部には、その上面に絶縁層７０７が設けられている。この絶縁層７０７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。

このように構成された静電変換装置では、エレクトレットとして機能する絶縁層７０７により形成される静電場によってその絶縁層７０７と対向する電極７０５に誘導電荷を生じさせる。そして、加振器７０３を駆動させて上部基板７０２をその平面に平行な方向に振動させて、絶縁層７０７と電極７０５との重なり合う面積（以下、「重なり面積」という。）を変化させる。すると、電極７０５の絶縁層７０７と重なり合っていない部分が生じると、この部分に誘導されていた電荷が、外部負荷７０６を通って電極７０４に移動し、再びその部分が絶縁層７０７と重なり合うと、電極７０４に移動した電荷が外部負荷７０６を通ってその部分に移動することになる。これにより、外部負荷７０６に交流電流が流れることとなる。

T. Shimamura, et al. , "Nano-Watt Power Management and Vibration Sensing on a Dust-Size Batteryless Sensor Node for Ambient Intelligence Applications" , Proc. Int. Conf. ISSCC2010, pp. 504-505, 2010 S. Beeby, et al., "Energy harvesting vibration sources for microsystem applications" Meas. Sci. Technol., 17 (2006) pp. R175-R195 T. Tsutsumino, et al., "SEISMIC POWER GENERATOR USING HIGH-PERFORMANCE POLYMER ELECTRET" Proc. Int. Conf. MEMS 2006 , pp. 98-101, 2006

しかしながら、従来の静電変換装置では、上述したように重なり面積を変化させることで誘導された電荷を外部負荷に移動させていたので、エレクトレットと対向する電極が常にそのエレクトレットによる静電場の影響を受けるために、誘導電荷のうち外部負荷に移動しない電荷も存在することがあり、このため発電効率を向上させることが困難であった。

そこで、本願発明は、発電効率を向上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、基板と、この第１の基板上に垂設された第１の帯電体と、第１の帯電体と離間して第１の基板上に垂設された第１の固定電極と、第１の帯電体および第１の固定電極と離間して第１の基板上方に設けられ、この第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、この可動部材に設けられ、第１の方向に延在する部材からなる第１の可動電極とを備え、第１の電極は、可動部材の移動に伴って、第１の帯電体と第１の固定電極との間を出入りすることを特徴とするものである。

上記静電変換装置において、外部負荷と接続される第１の端子および第２の端子をさらに備え、第１の端子は、第１の固定電極に接続され、第２の端子は、第１の可動電極に接続されるようにしてもよい。

上記静電変換装置において、第１の可動電極は、可動部材の第１の方向における正負両側に設けられ、第１の固定電極は、第１の可動電極と離間して設けられ、第１の帯電体は、第１の可動電極と離間して設けられ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の基板上に第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定間隔離間して垂設された棒状の一対の柱部材と、一方の柱部材の上端に一端が支持され、他方の柱部材に向かって第１の基板の平面方向に延在する一対の梁部材とをさらに備え、可動部材は、直方体の形状を有し、柱部材と対向する一対の第１の側面に梁部材の他端が接続されることにより第１の基板上方に配設され、第１の可動電極は、可動部材の第１の側面と直交する第２の側面に設けられ、第１の帯電体および第１の固定電極は、第２の側面から離間して配置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、第１の帯電体と可動部材との間隔は、第１の固定電極と可動部材との間隔よりも短いようにしてもよい。

また、上記静電変換装置において、可動部材を挟んで第１の基板と平行に設けられた第２の基板と、第２の基板の可動部材と対向する面上に設けられた第２の固定電極と、第２の基板の可動部材と対向する面上に、第２の固定電極から第２の方向に離間して配設された第２の帯電体と、可動部材の第２の基板と対向する面上に垂設された第２の可動電極とをさらに備えるようにしてもよい。

また、上記静電変換装置において、第２の可動電極は、第２の方向に互いに所定間隔離間して複数設けられ、第２の固定電極および第２の帯電体は、第２の方向に交互に複数設けられ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、基板と、基板上に垂設された第１の帯電体と、第１の帯電体と離間して基板上に垂設された第１の固定電極と、第１の帯電体および第１の固定電極と離間して基板上方に設けられ、こ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、この可動部材に設けられ、第１の方向に延在する部材からなる第１の可動電極とを備え、第１の電極は、可動部材の移動に伴って、第１の帯電体と第１の固定電極との間を出入りする静電変換装置の製造方法であって、上面に絶縁膜が形成されたシリコン基板を用意する第１のステップと、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ことにより、第１の固定電極の下部および第２の固定電極の下部を形成する第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、第１の固定電極の上部、第２の固定電極の上部、可動部材および可動電極を形成する第６のステップと、第１の犠牲層を除去する第７のステップと、第２の固定電極の表面に、電着により第１の帯電体を形成する第８のステップとを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、可動部材が移動すると、第１の可動電極が第１の帯電体と第１の固定電極との間を出入りする。この間から第１の可動電極が出ているときには、静電誘導により第１の固定電極に電荷が現れる。逆に、その間に第１の可動電極が入ると、第１の可動電極は、第１の帯電体の近くに位置するので電荷が誘導される一方、第１の固定電極は、第１の可動電極により第１の帯電体からシールドされるので電場の影響を受けなくなる。このように、第１の固定電極が第１の帯電体から電場の影響を受ける状態と受けない状態に変化することにより、第１の固定電極に誘導された電荷が全て移動するので、発生させる電流を増やすことができ、結果として、発電効率を向上させることができる。

図１は、本発明に係る第１の実施の形態の静電変換装置の構成を模式的に示す平面図である。 図２は、図１のI-I線断面図である。 図３は、図１のII-II線断面図である。 図４は、図１のIII-III線断面図である。 図５は、図１の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。 図６は、図１の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。 図７は、図１の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。 図８Ａは、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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、本発明に係る第１の実施の形態の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９は、本発明に係る第２の実施の形態の静電変換装置の構成を模式的に示す平面図である。 図１０は、図９のIV-IV線断面図である。 図１１は、図９のV-V線断面図である。 図１２は、図９の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。 図１３は、図９の静電変換装置の動作を説明するための要部拡大図である。 図１４Ａは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｂは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｃは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｄは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｅは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｆは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｇは、本発明に係る第２の実施の形態の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１４Ｈは、本発明に係る第２の実施の形態の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１５は、従来の静電変換装置の構成を模式的に示す断面図である。

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。

［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。

＜静電変換装置の構成＞
図１〜図４に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置１は、上面に酸化シリコン等の絶縁膜１２が形成されたシリコン等からなる半導体基板１１と、この半導体基板１１上方に設けられ、この半導体基板１１の平面に対して平行な第１の方向（以下、「Ｙ方向」という。）に揺動可能に支持された可動部材１５と、絶縁膜１２上の可動部材１５からＹ方向に直交する方向（以下、「Ｘ方向」という。）に離間した位置に設けられた複数の第１の固定電極１６および第２の固定電極１７とを備えている。ここで、可動部材１５、第１の固定電極１６および第２の固定電極１７は、半導体基板１１上において互いに絶縁分離されている。また、第２の固定電極１７の表面は、絶縁帯電体１８により覆われている。さらに、本実施の形態では、可動部材１５と第１の固定電極１６とは、配線１９を介して一対の端子２０に接続されている。可動部材１５は一方の端子２０に電気的に接続され、複数の第１の固定電極１６は電気的に共通に他方の端子２０に接続されている。この端子２０は、外部負荷２１と接続可能に構成されている。
なお、便宜上、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向、すなわち半導体基板１１の平面に対して垂直な方向を「Ｚ方向」という。また、Ｘ方向において、柱部材１３ａから柱部材１３ｂに向かう側を正の側とする。同様に、Ｙ方向において、図１の紙面に対して上方を正の側とする。同様に、Ｚ方向において、半導体基板１１から離間する側を上側または上方、半導体基板１１に近づく側を下側または下方とする。また、図２〜図４においては、切断面以外については記載を省略している。

ここで、可動部材１５は、絶縁膜１２上においてＸ方向に所定間隔離間して設けられた一対の柱部材１３ａ，１３ｂと、一端が一方の柱部材１３ａ，１３ｂに支持され他端が他方の柱部材１３ａ，１３ｂに向かって延在し可動部材１５に接続される一対の梁部材１４ａ，１４ｂとによって支持されている。

柱部材１３ａ，１３ｂは、絶縁膜１２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。柱部材１３ａの上端には梁部材１４ａの一端、柱部材１３ｂの上端には梁部材１４ｂの一端がそれぞれ接続されている。

梁部材１４ａ，１４ｂは、Ｘ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、梁部材１４ａの一端は、柱部材１３ａの上端に接続され、他端は、可動部材１５の１つの側面に接続されている。同様に、梁部材１４ｂの一端は、柱部材１３ｂの上端に接続され、他端は、可動部材１５の１つの側面に接続されている。このような梁部材１４ａ、１４ｂは、少なくともＹ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ＺＹ方向の断面においてＹ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１５は、金属からなる直方体の部材から構成され、半導体基板１１に平行な上面および下面の長手方向がＸ方向に沿い、短手方向がＹ方向に沿うように配設されている。ここで、可動部材１５の柱部材１３ａ，１３ｂと対向する２つの側面（以下、「第１の側面」という。）には、対向する梁部材１４ａ，１４ｂの他端が接続されている。これにより、可動部材１５は、梁部材１４ａ、１４ｂによって半導体基板１１上方に吊設されることとなる。このとき、上述したように梁部材１４ａ、１４ｂがＹ方向に可撓性を有するので、可動部材１５は、Ｙ方向に移動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１５は、シリコン基板１１に対して相対的に移動することとなる。静電変換装置１自体が振動すると、可動部材１５は、シリコン基板１１に対して相対的に往復運動することとなる。また、可動部材１５の第１の側面とは異なる２つの側面（以下、「第２の側面」という。）には、Ｙ方向に沿って垂設された複数の板状の可動電極１５ａが互いにＸ方向に所定間隔離間して形成されている。上述したように可動部材１５がＹ方向に移動可能とされているので、この可動部材１５の移動に伴って可動電極１５ａもＹ方向に移動することとなる。

第１の固定電極１６は、絶縁膜１２上から上方に突出した金属の棒状の部材から構成され、絶縁膜１２上において、互いにＸ方向に所定間隔離間して形成されている。第１の固定電極１６は、可動部材１５の第２の側面とそれぞれ所定間隔を空けて配置されている。１つの可動電極１５ａに第１の固定電極１６を１つずつ対応付けることができる。

第２の固定電極１７は、絶縁膜１２上から上方に突出した金属の棒状の部材から構成され、絶縁膜１２上において、互いにＸ方向に所定間隔離間して形成されている。これらの第２の固定電極１７は、可動部材１５の第２の側面と所定間隔離間して配置されている。また、第２の固定電極１７は、第１の固定電極１６とＸ方向に所定間隔離間して配置されている。これにより、可動部材１５が第１の固定電極１６および第２の固定電極１７の方に向かってＹ方向に移動すると、可動電極１５ａは、第１の固定電極１６および第２の固定電極１８の間に位置することとなる。また、第１の固定電極１６と第２の固定電極１７との距離は、第１の固定電極１６が、第２の固定電極１７の表面に設けられた絶縁帯電体１８により形成される静電場の影響を受ける距離に設定される。さらに、第２の固定電極１７は、図示しない配線を介してグランドに接続されている。１つの可動電極１５ａに第２の固定電極１７を１つずつ対応付けることができる。なお、可動部材１５が静止した状態において、第２の固定電極１７と可動部材１５の距離は、第１の固定電極１６と可動部材１５の距離よりも短く設定される。

絶縁帯電体１８は、第２の固定電極１７の表面に形成された絶縁体から構成される。このような絶縁帯電体１８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予め電子を帯電しており、エレクトレットとして機能する。

ここで、互いに隣り合う１つの第１の固定電極１６と１つの絶縁帯電体１８と１つの可動電極１５ａとは、１つの単位構造体を形成する。この単位構造体は、可動部材１５の第２の側面に対して左右対称に設けられている。

＜静電変換装置の発電動作＞
次に、図５〜図７を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。

まず、図５に示すように、可動部材１５が静止してる状態において、絶縁帯電体１８の近くに位置する第１の固定電極１６は、絶縁帯電体１８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絶縁帯電体１８の負電荷に対応した正電荷が第１の固定電極１６に現れる。

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１５がＹ方向に揺動する。可動部材１５がＹ方向の正の向きに移動したときには、図６に示すように、可動電極１５ａは、第１の固定電極１６と絶縁帯電体１８で覆われた第２の固定電極１７との間に移動する。これにより、可動電極１５ａは、絶縁帯電体１８が形成する静電場の影響を受けて、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が可動電極１５ａに現れる。この正電荷は、可動電極１５ａと第１の固定電極１６とが外部負荷２１を介して電気的に接続されていることから、図５において第１の固定電極１６に現れた正電荷が移動してきたものである。

一方、第１の固定電極１６は、可動電極１５ａによって絶縁帯電体１８から遮蔽された状態、すなわち、絶縁帯電体１８と第１の固定電極１６とを結ぶ直線上に可動電極１５ａが位置することによって第１の固定電極１６から見たときに絶縁帯電体１８が可動電極１５ａによって隠され、言わば絶縁帯電体１８の電場からシールドされた状態になっている。これにより、第１の固定電極１６は、絶縁帯電体１８の静電場の影響を受けなくなるので、絶縁帯電体１８により誘起されていた正電荷が全て外部負荷２１を通って可動電極１５ａの側に移動することになり、外部負荷２１に流れる電流量が増えることとなる。

図６に示す状態から、可動部材１５がＹ方向の負の向きに再度移動すると、図５に示すように、第１の固定電極１６と絶縁帯電体１８との間に何も存在しなくなるので、第１の固定電極１６は、絶縁帯電体１８により形成される静電場の影響を受け、静電誘導により第１の固定電極１６に正電荷が現れることとなる。この正電荷は、可動電極１５ａから移動してきたものである。一方、可動電極１５ａは、絶縁帯電体１８から遠ざかるので、絶縁帯電体１８の電場の影響を受けないまたは電場の影響が低下するので、絶縁帯電体１８により誘起されていた正電荷が外部負荷２１を通って固定電極１６の側に移動することとなる。

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１５がＹ方向に往復運動すると、外部負荷２１を介して可動電極１５ａと第１の固定電極１６との間で正電荷が移動するので、結果として、外部負荷２１に電流が流れることとなる。このとき、可動電極１５ａが第１の固定電極１６と絶縁帯電体１８との間に移動すると、第１の固定電極１６が可動電極１５ａによって絶縁帯電体１８からシールドされるので、第１の固定電極１６に誘導されていた正電荷が全て可動電極１５ａに移動するので、発電効率が向上する。さらに、単位構造体が可動部材１５の第２の側面の両方に対して対称に設けられているので、各単位構造体において上述したような電荷の移動が行われるので、発生される電流を増大させることができる。

なお、可動部材１５が第１の固定電極１６および第２の固定電極１７の方に向かって大きく変位した場合、第２の固定電極１７と可動部材１５との間隔が第１の固定電極１６と可動部材１５との間隔よりも短く設定されているので、図７に示すように、可動部材１５は、絶縁帯電体１８で覆われた第２の固定電極１７に接触することがある。このように接触することがあったとしても、第２の固定電極１７が絶縁帯電体１８で覆われているので、可動部材１５と第２の固定電極とがスティッキング（固着）することを防ぐことができる。また、絶縁帯電体１８がストッパとして機能することになり、可動電極１５ａと第１の固定電極１６とがスティッキングすることも防ぐことができる。

＜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８Ｈを参照して説明する。

まず、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜１２が上面に形成された、シリコンからなる半導体基板１１を用意する。この半導体基板１１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、絶縁膜１２の所定の箇所に形成されていてもよい。

このような半導体基板１１に対して、図８Ａに示すように、絶縁膜１２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、絶縁膜１２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が絶縁膜１２の上で互いに分離した状態とする。これにより、柱部材１３ａ，１３ｂの下部、第１の固定電極１６の下部、第２の固定電極１７の下部が形成される。

第１のシード層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、絶縁膜１２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絶縁膜１２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、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、柱部材１３ａ，１３ｂの上部、梁部材１４ａ，１４ｂ、可動部材１５、第１の固定電極１６の上部、および、第２の固定電極１７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を除去する。これにより、可動部材１５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に作用させることにより、行うことができる。

第１の犠牲層１０３を除去した後、図８Ｈに示すように、第１のシード層１０１、第１の金属パターン１０２、第２のシード層１０４および第２の金属パターン１０５のうち、第２の固定電極１７を構成する部材の表面に、撥水性、絶縁性および帯電性を発現する電着材料を用いた電着により、絶縁膜１０６を形成する。この絶縁膜１０６は、上述した絶縁帯電体１８を構成する。

このような絶縁膜１０６の製造工程の具体例を以下に示す。例えば、スルフォニウムカチオンが分散する電着液（例えば、日本ペイント（株）製、INSULEED3020X）を30℃に調整し、この電着液の中に、上述した工程を経た半導体基板１１および白金からなる対向電極が浸漬された状態とする。この状態で第２の固定電極１７を構成する部材に負電圧を印加するとともに、対向電極に正電圧を印加する。すなわち、第２の固定電極１７を構成する部材を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加することにより、カチオン電着を行う。この電着により、電着液に分散している絶縁膜形成材料が、負電圧が印加された第２の固定電極１７を構成する部材の表面に析出することにより、絶縁膜１０６が形成される。電着液に分散している材料は、負電圧が印加されていない絶縁膜１２や、その他の部材の表面には付着せず、負電圧を印加した第２の固定電極１７を構成する部材のみに絶縁膜１０６を選択的に形成することができる。

絶縁膜１０６を形成した後、半導体基板１１を水洗処理し、乾燥させた後、窒素雰囲気において１９０℃で２５分間の加熱処理を行うことにより、絶縁膜１０６が熱硬化された状態とする。

絶縁膜１０６を熱硬化した後、半導体基板１１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、コロナ放電を用いる場合は、半導体基板１１の下面および第２の固定電極１７を構成する部材をグランドに取り、ＤＣ放電を行う。コロナ放電の条件は、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１０６の表面には負電荷が帯電した状態となる。これにより、本実施の形態に係る静電変換装置１が得られる。

上述した方法により製造された静電変換装置１は、例えば静電変換装置１が振動させられることにより、可動部材１５がＹ方向の正負の向きに移動すると、可動電極１５ａが絶縁帯電体１８と第１の固定電極１６との間を出入りする。この間から可動電極１５ａが出ているときには、静電誘導により第１の固定電極１６に電荷が現れる。逆に、その間に可動電極１５ａが入ると、可動電極１５ａは、絶縁帯電体１８の近くに位置するので電荷が誘導される一方、第１の固定電極１６は、可動電極１５ａにより絶縁帯電体１８からシールドされるので電場の影響を受けなくなる。このように、第１の固定電極１６が絶縁帯電体１８から電場の影響を受ける状態と受けない状態に変化することにより、第１の固定電極１６に誘導された電荷が全て移動するので、発生させる電流を増やすことができ、結果として、発電効率を向上させることができる。

従来の静電変換装置では、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための機構をその振動による変位方向に対して鉛直な方向に設けていたので、その機構を設けることができる場所が限定されていた。このため、発電量の増加を実現することが困難であった。例えば、図１５に示した静電変換装置では、電極７０５や絶縁層７０７といった振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための機構を、下部基板７０１と上部基板７０２との対向面のみにしか設けられなかったので、発電量を増やすには限界があった。これに対して、本実施の形態では、可動部材１５の２つの側面に単位構造体を形成できるので、従来よりも多数の単位構造体を設けることが可能となり、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。

また、本実施の形態では、撥水性、絶縁性および帯電性を発現する電着材料を用いた電着により、機能性高分子膜からなる絶縁帯電体１８を形成する。これにより、従来では、電荷供給源である帯電体を可動部や振動素子の上面または下面にしか形成できなかったが、その帯電体を、複雑かつ立体的な構造に形成することが可能となる。また、振動素子の複数面での静電変換や、固定電極と可動電極とのスティッキング現象の防止が可能となる。

なお、本実施の形態では、可動電極１５ａ、第１の固定電極１６および第２の固定電極１７を、可動部材１５の第２の側面の両面に設ける場合を例に説明したが、第２の側面の一方のみ設けるようにしてもよいことはいうまでもない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態の静電変換装置１において、可動部材１５の上面に可動電極を設けるとともに、この可動電極と対向する位置に固定電極をさらに設けたものである。したがって、上述した第１の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。

＜静電変換装置の構成＞
図９〜図１１に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置２は、半導体基板（以下、「第１の半導体基板」という。）１１と、この第１の半導体基板１１の上方に所定距離離間して配置された第２の半導体基板３１と、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板３１との間に配設され、これらの距離を所定の距離に保つスペーサ部材４１とを備えている。なお、図９〜図１１においては、切断面以外については記載を省略している。

第１の半導体基板１１には、この第１の半導体基板１１の上面に形成された絶縁膜（以下、「第１の絶縁膜」という。）１２上に、Ｙ方向に揺動可能に支持された可動部材１５と、この可動部材１５からＹ方向に離間した位置に設けられた複数の第１の固定電極１６および第２の固定電極１７が設けられている。ここで、可動部材１５は、絶縁膜１２上にＸ方向に所定間隔離間して設けられた一対の柱部材１３ａ，１３ｂと、一端が一方の柱部材１３ａ，１３ｂに支持され他端が他方の柱部材１３ａ，１３ｂに向かって延在し可動部材１５に接続される一対の梁部材１４ａ，１４ｂとによって支持されている。また、第２の固定電極１７の表面は、絶縁帯電体１８により覆われている。また、可動部材１５と第１の固定電極１６は、半導体基板１１上などに設けられた配線１９を介して端子２０に電気的に接続されている。この端子２０は、外部負荷２１と接続可能に構成されている。

ここで、可動部材１５の上面には、可動部材１５の材料と同等の材料から構成され、Ｘ方向に沿って垂設された複数の板状の部材１５ｂが互いにＹ方向に所定間隔離間して形成されている。上述したように、可動部材１５がＹ方向に移動可能とされているので、この可動部材１５の移動に伴って部材（以下、「第２の可動電極」という。）１５ｂもＹ方向に往復運動することとなる。

また、第２の半導体基板３１は、第１の半導体基板１１と対向する面に形成された第２の絶縁膜３２上に、複数の第３の固定電極３３および第４の固定電極３４と、この第４の固定電極３４の表面を覆う絶縁帯電体３５とを備えている。

ここで、第２の半導体基板３１は、シリコン等からなる半導体基板から構成され、第１の半導体基板１１と同等の外形を有する。第２の絶縁膜３２は、酸化シリコン等からなり、第２の半導体基板３１の下面に形成されている。

また、第３の固定電極３３は、第２の絶縁膜３２上から下方に突出しＸ方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第２の絶縁膜３２上において、可動部材１５の上面と所定間隔離間して配設されている。このような第３の固定電極３３は、可動部材１５が静止した状態において、第２の可動電極１５ｂと対向している。

また、第４の固定電極３４は、第２の絶縁膜３２上から下方に突出しＸ方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第２の絶縁膜３２上において、隣り合う第３の固定電極３３と互いに平行かつ等間隔に離間して配設されている。このような第４の固定電極３４は、接地されている。

また、第２の絶縁帯電体３５は、第４の固定電極３４の表面に形成された絶縁体から構成される。このような第２の絶縁帯電体３５は、予め電子を帯電しており、エレクトレットとして機能する。

スペーサ部材４１は、金属から構成され、平面視略矩形の開口を有する筒の形状を有する。その開口内には、図９に示されるように、柱部材１３ａ，１３ｂ、梁部材１４ａ，１４ｂ、可動部材１５、第１の固定電極１６、第２の固定電極１７、第３の固定電極３３および第４の固定電極３４が収容される。

＜静電変換装置の発電動作＞
次に、図１２，図１３を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置の発電動作について説明する。なお、第１の絶縁帯電体１８を用いた発電動作については、上述した第１の実施の形態と同等であるので、説明を省略する。以下において、第２の絶縁帯電体３５を用いた発電動作について説明する。ここで、本実施の形態では、可動部材１５と第１の固定電極１６とは、配線１９を介して一対の端子２０に接続されている。可動部材１５は一方の端子２３に電気的に接続され、複数の第３の固定電極３３は電気的に共通に他方の端子３０に接続されている。この端子２３は、外部負荷２１と接続可能に構成されている。これにより、第２の可動電極１５ｂと第３の固定電極３３とは、外部負荷２４を介して電気的に接続されている。

まず、図１２に示すように、可動部材１５が静止している状態において、負電荷を帯びた第２の絶縁帯電体３５と対向する第３の固定電極３３は、第２の絶縁帯電体３５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第２の絶縁帯電体３５の負電荷に対応した正電荷が第３の固定電極３３に現れる。

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、可動部材１５がＹ方向に揺動する。可動部材１５がＹ方向の正の向きに移動したときには、図１３に示すように、第２の可動電極１５ｂもＹ方向の正の向きに移動し、第２の絶縁帯電体３５で覆われた第４の固定電極３４に近づく。すると、第２の可動電極１５ｂは、第３の固定電極３３よりも第２の絶縁帯電体３５に近づくので、この第２の絶縁帯電体３５が形成する静電場の影響をより強く受け、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第２の可動電極１５ｂに現れる。この正電荷は、第２の可動電極１５ｂと第３の固定電極３３とが外部負荷２４を介して電気的に接続されていることから、図１２において第３の固定電極３３に現れた正電荷が移動してきたものである。

図１３に示す状態から、可動部材１５がＹ方向の負の向きに再度移動すると、図１２に示すように、第２の絶縁帯電体３５との距離が、再び第２の可動電極１５ｂよりも第３の固定電極３３の方が短くなるので、第３の固定電極３３には、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第２の可動電極１５ｂから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１５がＹ方向に沿って往復運動すると、外部負荷２４を介して第２の可動電極１５ｂと第３の固定電極３３との間で電荷が移動するので、結果として、外部負荷２４に電流が流れることとなる。このとき、第１の実施の形態でも説明したように、第１の可動電極１５ａと第１の固定電極１６との間でも電荷の移動が起こり、外部負荷２４にも電流が流れている。これにより、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材１５の表面を形成する６つの面のうち、２つの第２の側面と上面という合計３つの面での静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。

＜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１４Ａ〜図１４Ｇを参照して説明する。

まず、第１の半導体基板１１の製造方法については、第１の実施の形態で図８Ｆを参照して説明した工程、すなわち、第２のシード層１０４をエッチング除去して第２の金属パターン１０５が第１の犠牲層１０３上に分離された状態までは、同等の工程により形成することができる。そこで、以下においては、図８Ｆで示した工程以降の工程について説明する。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と異なり、スペーサ部材４１も同時に形成する。このスペーサ部材４１の一部は、第１の固定電極１６や第２の固定電極１７の場合と同様、第１のシード層１０１、第１の金属パターン１０２、第２のシード層１０４および第２の金属パターン１０５から構成される。

第２のシード層１０４を除去した後、図１４Ａに示すように、第１の犠牲層１０３上に第２の犠牲層２０１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２０１表面に露出した状態とされる。このような第２の犠牲層２０１を形成する工程は、図８Ｄを参照して説明した第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２０１を形成した後、図１４Ｂ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２０１上に第３のシード層２０２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２０２上に第３の金属パターン２０３を形成する。ここで、第３の金属パターン２０３の形成時には、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３の金属パターン２０３を形成した後、図１４Ｃ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２０３をマスクとして第３のシード層２０２を除去する。これにより、第３の金属パターン２０３が第３の犠牲層２０１上で分離した状態とする。これにより、第２の可動電極１５ｂおよびスペーサ部材４１の一部が形成される。

第３のシード層２０２を選択的にエッチング除去した後、図１４Ｄに示すように、第１の犠牲層１０３および第２の犠牲層２０１を除去する。この除去は、第１の実施の形態で図８Ｇを参照して説明した第１の犠牲層１０３の除去と同等の方法により行うことができる。これにより、可動部材１５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。

次に、例えば、酸化シリコンからなる第２の絶縁膜３２が一方の面に形成された、シリコンからなる第２の半導体基板３１を用意する。ここで、第２の半導体基板３１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３２の所定の箇所に形成されていてもよい。

このような第２の半導体基板３１に対して、図１４Ｅに示すように、第２の絶縁膜３２上に、第４のシード層３０１、第４の金属パターン３０２、第５のシード層３０３、および、第５の金属パターン３０４を順次形成することにより、第３の固定電極３３、第４の固定電極３４およびスペーサ部材４１の一部を形成する。これらは、第１の実施の形態で図８Ａ〜図８Ｇを参照して説明した工程と同様の工程により形成することができる。

次に、図１４Ｆ，図１４Ｇに示すように、第１の半導体基板１１の第２の固定電極１７を構成する部材、および、第２の半導体基板３１の第４の固定電極３４を構成する部材の表面に、例えば電着などにより、絶縁膜３０５を形成する。第１の半導体基板１１に形成された絶縁膜３０５は、上述した第１の絶縁帯電体１８を構成し、第２の半導体基板３１に形成された絶縁膜３０５は、上述した第２の絶縁帯電体３５を構成する。このような絶縁膜３０５の電着は、上述した第１の実施の形態で図８Ｈを参照して説明した絶縁膜１０６を形成する工程と同様の工程により形成することができる。

絶縁膜３０５が熱硬化されると、第１の半導体基板１１および第２の半導体基板３１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。このような帯電処理により、絶縁膜３０５の表面には負電荷が帯電した状態となる。

絶縁膜３０５を帯電させた後、図１４Ｈに示すように、第１の半導体基板１１の第１の絶縁膜１２が形成された側の面と、第２の半導体基板３１の第２の絶縁膜３２が形成された側の面とを対向させ、第１の半導体基板１１に形成された第３の金属パターン２０３の上面と、第２の半導体基板３１に形成された第５の金属パターン３０４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。これにより、静電変換装置２が得られる。

以上説明したように、本実施の形態によっても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を実現することができる。また、本実施の形態では、可動部材１５の２つの側面および上面で静電変換ができるので、出力の向上やさらなる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。

１，２…静電変換装置、１１…（第１の）半導体基板、１２…（第１の）絶縁膜、１３ａ，１３ｂ…柱部材、１４ａ，１４ｂ…梁部材、１５…可動部材、１５ａ，１５ｂ…可動電極、１６…第１の固定電極、１７…第２の固定電極、１８…（第１の）絶縁帯電体、１９，２２…配線、２０，２３…端子、２１，２４…外部負荷、３１…第２の半導体基板、３２…第２の絶縁膜、３３…第３の固定電極、３４…第４の固定電極、３５…第２の絶縁帯電体、４１…スペーサ部材、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、２０１…第２の犠牲層、２０２…第３のシード層、２０３…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のシード層、３０４…第５の金属パターン。

Claims (7)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板上に垂設された第１の帯電体と、
   前記第１の帯電体と離間して前記第１の基板上に垂設された第１の固定電極と、
   前記第１の帯電体および前記第１の固定電極と離間して前記第１の基板上方に設けられ、この第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、
   この可動部材に設けられ、前記第１の方向に延在する部材からなる第１の可動電極と
   を備え、
   前記第１の可動電極は、前記可動部材の移動に伴って、前記第１の帯電体と前記第１の固定電極との間を出入りし、
   前記第１の基板上に前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定間隔離間して垂設された棒状の一対の柱部材と、
   一方の前記柱部材の上端に一端が支持され、他方の前記柱部材に向かって前記第１の基板の平面方向に延在する一対の梁部材と
   をさらに備え、
   前記可動部材は、直方体の形状を有し、前記柱部材と対向する一対の第１の側面に前記梁部材の他端が接続されることにより前記第１の基板上方に配設され、
   前記第１の可動電極は、前記可動部材の前記第１の側面と直交する第２の側面に設けられ、
   前記第１の帯電体および前記第１の固定電極は、前記第２の側面から離間して配置される
   ことを特徴とする静電変換装置。
2. 外部負荷と接続される第１の端子および第２の端子をさらに備え、
   前記第１の端子は、前記第１の固定電極に接続され、
   前記第２の端子は、前記第１の可動電極に接続される
   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の可動電極は、前記可動部材の前記第１の方向における正負両側に設けられ、
   前記第１の固定電極は、前記第１の可動電極と離間して設けられ、
   前記第１の帯電体は、前記第１の可動電極と離間して設けられる
   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. 前記第１の帯電体と前記可動部材との間隔は、前記第１の固定電極と前記可動部材との間隔よりも短い
   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. 前記可動部材を挟んで前記第１の基板と平行に設けられた第２の基板と、
   前記第２の基板の前記可動部材と対向する面上に設けられた第２の固定電極と、
   前記第２の基板の前記可動部材と対向する面上に、前記第２の固定電極から前記第２の方向に離間して配設された第２の帯電体と、
   前記可動部材の前記第２の基板と対向する面上に垂設された第２の可動電極と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の静電変換装置。
6. 前記第２の可動電極は、前記第２の方向に互いに所定間隔離間して複数設けられ、
   前記第２の固定電極および前記第２の帯電体は、前記第２の方向に交互に複数設けられる
   ことを特徴とする請求項５記載の静電変換装置。
7. 基板と、この基板上に垂設された第１の帯電体と、前記第１の帯電体と離間して前記基板上に垂設された第１の固定電極と、前記第１の帯電体および前記第１の固定電極と離間して前記基板上方に設けられ、こ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、この可動部材に設けられ、前記第１の方向に延在する部材からなる第１の可動電極とを備え、前記第１の可動電極は、前記可動部材の移動に伴って、前記第１の帯電体と前記第１の固定電極との間を出入りし、前記基板上に前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に所定間隔離間して垂設された棒状の一対の柱部材と、一方の前記柱部材の上端に一端が支持され、他方の前記柱部材に向かって前記基板の平面方向に延在する一対の梁部材とをさらに備え、前記可動部材は、直方体の形状を有し、前記柱部材と対向する一対の第１の側面に前記梁部材の他端が接続されることにより前記基板上方に配設され、前記第１の可動電極は、前記可動部材の前記第１の側面と直交する第２の側面に設けられ、前記第１の帯電体および前記第１の固定電極は、前記第２の側面から離間して配置される静電変換装置の製造方法であって、
   上面に絶縁膜が形成されたシリコン基板を用意する第１のステップと、
   前記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ことにより、前記第１の固定電極の下部および第２の固定電極の下部を形成する第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、前記第１の固定電極の上部、前記第２の固定電極の上部、前記可動部材および前記可動電極を形成する第６のステップと、
   前記第１の犠牲層を除去する第７のステップと、
   前記第２の固定電極の表面に、電着により前記第１の帯電体を形成する第８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。

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