JP5846688B2

JP5846688B2 - 機械的振動に応答して電力を発生させるための装置

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Publication number: JP5846688B2
Application number: JP2011552923A
Authority: JP
Inventors: サリバン，パット; ウォーターズ，リチャード; ハント，バリー，レイ
Original assignee: ルメダインテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: EP2404371A4; EP2404371A1; JP2012520053A; CA2754553C; CA2754553A1; CN102414969B; WO2010101577A1; KR20120026028A; CN102414969A; KR101458265B1

Description

（政府利益の陳述）
ここに開示された本発明は、ここにおける、又は、これによる、いかなくロイヤリティの支払いを政治目的とせずに、アメリカ合衆国政府により又は政府のために製造及び使用される。

（連邦支援の研究及び開発）
本発明はアメリカ合衆国政府に譲渡され、商業目的のためのライセンスを利用可能である。政府の目的のために利用されるときにはライセンスは必要ない。ライセンス及び技術審査は、パテントカウンセルオフィス（“ＳｐａｃｅａｎｄＮａｖａｌＷａｒｆａｒｅＳｙｓｔｅｍＣｅｎｔｅｒ”住所；ＳａｎＤｉｅｇｏ，Ｃｏｄｅ２００１２，ＳａｎＤｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆ．，９２１５２，電話番号；（６１９）５５３−３００１、ＦＡＸ；（６１９）５５３−３８２１、参照ネービーケース＃９９７３５）に向けられるべきである。

医療移植片（インプラント）や建造物内蔵センサなどへの応用における小型センサ分野に対する関心が成長している。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術の計画された到達点の１つは、医療、自動車、製造、ロボティクス及び家電のセンサシステムのための低コスト及び高性能の分散センサシステムを開発することにある。ほとんど注目されない１領域は、このようなセンサ要素に必要電力を効果的に供給する方法である。多くの応用物は、センサが構造物に外界との物理的接続なしに構造物に完全に内蔵されることを必要とする。理想的には、これら分散システムの要素は、配線、電気ノイズ及び制御システムの複雑性に関する問題を軽減するように自己内蔵電源能力を有する。ＭＥＭＳ装置への内蔵化学式電源を開発するように、試みがなされている。化学式電源（バッテリ）は、このような応用のためによく開発されているが、寿命及び交換アクセス性が制限要素であり、当該応用には、化学式電源は適していない。電力をこのようなシステムに供給する別アプローチは、センサ要素内に再生可能電源を含むことであり、これにより、電源内蔵マイクロシステムを形成する。

再生可能電源は、環境内の存在するエネルギー源から獲得したエネルギーを電気エネルギーに変換する。好ましいエネルギー源はその応用に依る。いくつかの可用なエネルギー源は、太陽光のような環境光からの光学エネルギー、温度勾配に亘って獲得される熱エネルギー、液体又は気圧勾配に亘って獲得される体積流量エネルギー、並びに、運動及び振動から獲得される機械的エネルギーを含む。これらのソースの中の、光及び熱エネルギーは、マイクロ電源に使用するためにすでに開発されている。しかしながら、医療移植片のように不十分な光量又は熱量しか存在しないところで、多くが応用される。したがって、当該技術分野における当業者は、環境機械エネルギーから電気を発生させる多くの種々の電源を提案している。我々の体の動きからコンピュータのハムに亘るまで環境に内在する環境機械振動は、１０から５０μＷ／ｃｃの定常電力密度を提供可能である。

例えば、シェフィールド大学［Ｃ．Ｂ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｒ．Ｂ．Ｙａｔｅｓによる「マイクロシステムのためのマイクロ発電の解析」８ｔｈＩｎｔｌ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＳｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓ．＆Ａｃｔｕａｔｏｒ，ストックホルム、スウェーデン、１９９５年６月２５−２９日、８７−Ｂ４，頁３６９−７２］、及び、マサチューセッツ工科大学［ＳｃｏｔｔＭｅｎｉｎｇｅｒ，ＪｏｓｅＯｓｃａｒＭｕｒ−Ｍｉｒａｎｄａ，ＲａｊｅｅｖａｎＡｍｉｒｔｈａｒａｊａｈ，ＡｎａｎｔｈａＰ．Ｃｈａｎｄｒａｋａｓａｎ及びＪｅｆｆｒｅｙＨ．Ｌａｎｇによる「振動から電気エネルギーへの変換」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＶＬＳＩＳｙｓｔｅｍｓＶｏｌ．９，Ｎｏ．１，６４−７６頁、２００１年２月］で、複数の当業者が基礎的な振動に基づく発電機を提案した。Ｍｅｎｉｎｇｅｒ等は、可変キャパシタ内の振動導入変化によって生成した電圧を蓄積することによって振動エネルギーを獲得するマイクロ発電機を開示している。

近年、初期研究が改良されている。例えば、Ｃｈｉｎｇ等［ＮｅｉｌＮ．Ｈ．Ｃｈｉｎｇ，Ｈ．ＹＷｏｎｇ，ＷｅｎＪ．Ｌｉ，ＰｈｉｌｉｐＨ．Ｗ．Ｌｅｏｎｇ及びＺｈｉｙｕＷｅｎによる「ワイヤレスセンシングシステムの、レーザーマイクロマシン複合様式共振電力トランスデューサー」ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，Ｖｏｌ．９７−９８，頁６８５−６９０、２００２］が、既製回路を駆動するのに十分な電力を有するマイクロマシン発電機を開示する。この研究のために、Ｃｈｉｎｇ等は、振動励起発電機を構築するのにマイクロマシン加工法を好む。なぜなら、当該方法は発電機の効率性のために必要な機械的共鳴の正確な制御、及び、商業的に実施可能な発電機の低コスト大量生産のバッチ製造性を提供するからである。同様に、Ｗｉｌｌｉａｍｓ等の後の文献［Ｃ．Ｂ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｃ．Ｓｈｅａｒｗｏｏｄ，Ｍ．Ａ．Ｈａｒｒａｄｉｎｅ，Ｐ．Ｈ．Ｍｅｌｌｏｒ，Ｔ．Ｓ．Ｂｉｒｃｈ及びＲ．Ｂ．Ｙａｔｅｓによる「電磁マイクロジェネレータの開発」ＩＥＥＰｒｏｃ．−ＣｉｒｃｕｉｔｓＤｅｖｉｃｅｓＳｙｓｔ．，Ｖｏｌ．１４８，Ｎｏ．６、頁３３７−３４２，２００１年１２月］は、マイクロマシン加工によっても製造可能であるが、より早期の理論解析に従って構築された単純な慣性発電機を開示している。別の例は、Ｌｉ等［ＷｅｎＪ．Ｌｉ，ＴｅｒｒｙＣ．Ｈ．Ｈｏ，ＧｏｒｄｏｎＭ．Ｈ．Ｃｈａｎ，ＰｈｉｌｉｐＨ．Ｗ．Ｌｅｏｎｇ及びＨｕｉＹｕｎｇＷｏｎｇによる「レーザーマイクロマシン振動誘起発電機による赤外線信号伝送」Ｐｒｏｃ．４３ｒｄＩＥＥＥＭＩ、２０００年８月１１日、頁２３６−９］が開示したレーザーマイクロマシン電磁発電機であり、これは、６４―１２０Ｈｚ領域の２５０ミクロン振動を受けるときに１４０ｍｓのパルス列を毎分送信するのに十分な２ＶＤＣ電力を提供する。

Ｇｈｅｚｚｏ等による米国特許第６，１２７，８１２号は、キャパシタプレートの又は誘電材料の移動に応答して、静電容量及び電圧変化を経験するキャパシタを含むエネルギー抽出手段を開示している。一実施形態では、変化する静電容量の２つのキャパシタを作成するように、第３プレートが第１及び第２プレート間に配置される。別実施形態では、１つのキャパシタプレートが、別のキャパシタプレートに亘る運動を可能にするフレキシブルアームによって取り付けられている。上述のキャパシタは、１つで又は１以上の他のキャパシタとともに使用可能であり、充電可能なエネルギー源に電力を供給するために個々にあるいは直列配列に調整される。ダイオードのような支援電子装置と共に上記キャパシタを基板上に製造可能である。Ｇｈｅｚｚｏ等は、変化する静電容量を採用し、電磁マイクロジェネレータの製造の問題の解法をなんら考慮又は示唆していない。

米国特許第６，７２２，２０６Ｂ２号では、Ｔａｋｅｄａは、別の電磁材料要素が磁気部材によって生成される磁場に曝されるように、基板に搭載された磁性材料の要素を有する力検出装置を開示する。可動部材は、振動に応答する振動体に取り付けられ、このような振動体が、電磁材料が経験する磁場を変化させ、そして、次に、電磁材料の電気特性を変化させる。Ｔａｋｅｄａは、電磁マイクロジェネレータの製造の問題の解法をなんら考慮又は示唆していない。

当該技術分野における多くの当業者による研究にも拘わらず、当該技術分野において、今日のマイクロチップに十分な電力を発生可能なＭＥＭＳスケールの体積の安価な製造に適している電磁マイクロジェネレータの必要性がいまだ存在する。当該技術分野で公知の電磁装置は、全て一般的に、近傍の固定コイルで磁束を変化させるようにスプリング要素上で振動する１つの磁性体を採用する。すなわち、これら装置は、１つの磁石の限定的な質量、１つの磁石の磁束場における複数のコイルの限定的な空間、及び、これに露出した２つの磁極によるコイルで利用可能な限定的な磁束勾配によって、電力出力容量の点で限定される。これらの未解決の問題及び欠陥は、当該技術分野に明らかに存在し、後述する手段に本発明によって解決される。

振動エネルギー獲得装置がここに開示される。当該装置は、複数の柔軟領域（又は一体柔軟領域（ｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｍｐｌｉａｎｔｒｅｇｉｏｎ））を有する基板と、少なくとも２つの強磁性体（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍａｓｓ）と、コイルとを備える。強磁性体のうちの少なくとも１つが基板の加速に応答して基板に対して移動するように、各強磁性体が柔軟領域のうちの対応する１又は複数に結合されている。各強磁性体は内部磁極を有し、内部磁極が磁束ギャップによって互いから離れるように配置されている。各内部磁極の磁気極性は、磁束ギャップの反対側の内部磁極の磁気極性と同じである。内部磁極は、磁束ギャップ内に急な磁束勾配領域を形成する。コイルは、基板に結合されると共に急な磁束勾配領域内に配置され、当該急な磁束勾配領域内では、基板に対する強磁性体のうちの少なくとも１つの運動から発生する変動磁束に曝される。

上述のエネルギー獲得装置の別実施形態では、２つの強磁性体が互いに剛結合されていると共に、同期移動するように配置されている。

上述のエネルギー獲得装置の別実施形態では、結合した強磁性体は、基板加速に応答して基板に対して線形移動するように構成されている。

上述のエネルギー獲得装置の別実施形態では、導体が変動磁束に応答して流れる電流を伝導させるためにコイルに結合されている。

上述のエネルギー獲得装置の別実施形態では、コイルは基板に結合されると共に磁束ギャップに配置された複数の独立コイルを備え、磁束ギャップ内では、複数の独立コイルが変動磁束に曝される。

上述のエネルギー獲得装置の別実施形態では、コイルは、磁束ギャップ内及び結合した強磁性体の外周で定められる体積の外側に配置される。

振動式エネルギー獲得装置は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発電機として構築され、当該装置は、複数の柔軟領域、少なくとも１つのモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）マイクロジェネレータ、コイル及び導体を備える。本実施形態では、各モノリシックマイクロジェネレータは、少なくとも２つの強磁性体を備える。強磁性体のうちの少なくとも１つが基板加速に応答して基板に対して移動するように、各強磁性体は、柔軟領域のうちの対応する１又は複数に結合される。各強磁性体は、内部磁極を有し、強磁性体の内部磁極が同じ磁気極性を有していると共に磁束ギャップによって互いから離隔しているように配置されている。内部磁極は、磁束ギャップ内に急な磁束勾配領域を形成する。コイルは、基板に結合されると共に磁束ギャップ内に配置され、当該磁束ギャップ内で、基板に対する強磁性体のうちの少なくとも１つの運動から発生する変動磁束に曝される。導体が、磁束変化に応答して電流を伝導するために各マイクロジェネレータのコイルに結合されている。

本発明のより完全な理解のため、図によって示される実施形態の詳細な説明が参照される。ここでは、同じ参照番号は複数の図を通して同じ特徴部を表す。

本発明のマイクロジェネレータシステムを表す減衰質量バネ系の概略図。図１のモデルの古典電磁理論に従う、コイル電圧、磁束密度及び相対変位の理論的関係を示す図。本発明のマイクロジェネレータシステムに使用するのに利用可能な複数の種々のコイル／磁束形態の側面図。本発明のマイクロジェネレータの例示の実施形態の側方斜視図。本発明の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発電機システムの例示の実施形態の側方斜視図。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の例示の磁性層製造プロセスの側面図。（ａ）〜（ｅ）は、本発明の例示の磁性層製造プロセスの側面図。図６及び図７の例示の磁性層形態の対面図。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の例示のコイル層製造プロセスの側面図。図９の例示のコイル層形態の対面図。（ａ）〜（ｃ）は、図６の磁性層形態を使用した、本発明の第１の例示のマイクロジェネレータ製造プロセスの側面図。（ａ）〜（ｂ）は、図７の磁性層形態を使用した、本発明の第２の例示のマイクロジェネレータ製造プロセスの側面図。

図１は、本発明のマイクロ発電システムを表す減衰バネ質量系を示す。電気的及び機械的な減衰（ダンピング）が、特定の環境振動スペクトルの設計を解析及び最適化することに考慮される必要がある。図１を参照して、時間ｔ、質量ｍ、バネ定数ｋ、電気減衰因子ｂ_ｅ、機械減衰因子ｂ_ｍ、及び、変位関数ｚ（ｔ）の、コイル電流から利用可能な電力Ｐを等式１に表す。
[式１]

エネルギー保存は等式２を導く。
［式２］

ラプラス変換及び変数置換は、以下の等式３〜１０を提供するように表される。
［式３］

［式４］

ここでω_ｎ ^２＝ｋ／ｍ
すなわち、
［式５］

ならびに、
［式６］

または
［式７］

ここでＡ＝ω^２Ｙ

これは非線形問題であり、コイル電力からの反力の非線形性のおかげで、システム共鳴（レゾナンス）が、過度の実験なしに所定の応用のための等式７に関して最適化されうる。一般に、発明者は、より高い電気減衰ｂ_ｅがシステムの機械共鳴周波数ｆ_ｒ＝２πωｎより低い周波数での電力出力性能を改善することを発見した。

図２は、種々の電気的及び機械的想定のための期待コイル電圧、磁束密度及び相対変位を示すグラフである。加速度は全周波数範囲に亘って定数１．０ｍ／秒^２と仮定され、Ｂ_ｍａｘ＝１テスラ、ｋ＝１Ｎ／ｍ、速度＝５０ｍｍ／秒、質量＝１ｍｇ、及び、ｘ＝１ｍｍである。発明者は、実験的及び理論的なテストを実行し、図２に開示された予測が、より大きい物理スケールで実行された実験測定値によく適合することを発見した。

エネルギー獲得装置のマクロスケールバージョンが、コイルごとに予測電圧出力を確認するように作成された。実験設定は、径１インチ及び厚み３／１６インチの寸法の１テスラマグネットからなる。それは、十分なバネ力でスプリングに取り付けられ、周波数２０Ｈｚで加速度１．０ｍ／ｓ^２の下で変位２．５ｍｍを形成する。コイルの巻き数は５ずつ増加するように５から４０まで連続的に変更され、電圧測定が各構成のために行われる。コイルの巻きごとの発生電圧が、上述のシンプルな１次元（１−Ｄ）を使用する予測値１ｍＶ／巻きに非常に近いことが観測された。

２次元の磁束密度をモデリングすることと共にコイル表面に垂直な全磁束密度を合計することにより、詳細な解析が実行された。入力が１．０ｍ／ｓ^２で２０Ｈｚ正弦波入力であると再度仮定した。各時間ステップで、速度、コイルからマグネットまでの変位、及び、表面に垂直な全磁束密度が計算された。この詳細な解析の結果により、シンプルな１−Ｄ計算及びマクロスケールの実験観測値１ｍＶ／巻きが裏付けられた。

図３は、複数の種々のコイル／磁束形態の側面図である。図３では、コイル２０が、２つの磁性体（磁性質量）２４及び２６によって形成された磁束ギャップ２２に配置される。図３（ａ）及び３（ｂ）では、磁束ギャップ２２の各エッジ上の同じ磁極のおかげで「急な（ｓｔｅｅｐ）」磁束勾配領域が磁束ギャップ２２内に形成されている。図３（ｃ）及び３（ｄ）では、磁束ギャップ２２の各エッジ上の異なる磁極のおかげで「浅い（ｓｈａｌｌｏｗ）」磁束勾配領域が磁束ギャップ２２内に形成されている。図３（ａ）では、磁性体２６の磁性体２４及びコイル２０に対する任意の垂直（相対）運動Ｚ（ｔ）がコイル２０で急な磁束変化を形成するように、コイル２０が磁束ギャップ２２内に配置される。同様に、図３（ｂ）では、コイル２０に対する磁性体２４、２６両方の任意の同期垂直運動Ｚ（ｔ）がコイル２０で急な磁束変化を形成するように、コイル２０が磁束ギャップ２２内に配置される。対照的に図３（ｃ）では、磁性体２６の磁性体２４及びコイル２０に対する任意の垂直運動Ｚ（ｔ）がコイル２０で限定的な磁束変化を形成するように、コイル２０が磁束ギャップ２２内に配置される。同様に、図３（ｄ）では、コイル２０に対する磁性体２４、２６両方の任意の同期水平運動Ｙ（ｔ）がコイル２０で限定的な磁束変化を形成するように、コイル２０が磁束ギャップ２２内に配置される。明らかに、図３（ａ）及び（ｂ）に示したコイル／磁束形態が好ましく、特には、図３（ｂ）の形態が、本発明のマイクロジェネレータの実施に好ましい。さらには、追加の磁性体をも追加可能であり、別の有用な幾何学的形態を形成するのに再編成される当該磁性体が本発明のマイクロジェネレータの別実施形態として実施することによく適している。

図４は、本発明のマイクロジェネレータの実施形態２８の側方斜視図である。マイクロジェネレータ２８は、コイルターミナル（端末）３２及び３４に接続した導電材料の複数巻きからなるコイル３０を含む。コイル３０は、それぞれ磁性体４２及び４４の内面３８及び４０によって境界される磁束ギャップ３６内に配置される。内面３８及び４０は磁性体４２及び４４のＮ極として表されているが、内面３８及び４０の両方が同じ磁極を有していれば、どちらの極であってもよい。磁性体４２は、柔軟領域（又は柔軟要素（ｃｏｍｐｌｉａｎｔｅｌｅｍｅｎｔ））４６によって体現された複数の柔軟領域（スプリング）によって支持される。同様に、磁性体４４は、柔軟領域４８によって体現された複数の柔軟領域によって支持される。柔軟領域４６及び４８の自由端は、コイル３０に対して有効な任意の手段（図示せず）で固定される。これによって、外部機械振動に応答して磁性体４２及び４４がコイル３０に対してＺ（ｔ）方向に移動することを可能にする。

図５は、本発明の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発電システムの実施形態５０の側方斜視図である。ＭＥＭＳ発電機（又はＭＥＭＳジェネレータ）５０は、マイクロジェネレータ２８で体現された本発明の複数のマイクロジェネレータを含み、各マイクロジェネレータにより発生した電力がＭＥＭＳ発電機ターミナル５２及び５４で集まるように、個々のコイルターミナルが相互接続されている。好ましくは、ＭＥＭＳジェネレータ５０を構成する複数のマイクロジェネレータは、同じ環境振動への一定の曝露のために１つに結合される。

図６（ａ）〜（ｄ）を含む図６は、本発明の例示の磁性層（基板）製造プロセスを示す側面図である。このプロセスは、図６（ａ）に示すとおり、半導体ウエハ５６で始まる。材料は、結晶シリコン又は他の有用な半導体材料である。以下の説明は、１つの磁性層の準備（製造）に限定されるが、本技術分野の実施者にとって、多くのこのような磁性層要素が１回のプロセスで１つの半導体ウエハ上に同時に製造され、本技術分野で公知のウエハダイス（切断）プロセスでウエハから分離されることは明らかである。図６（ａ）は、このプロセスの第１ステップの結果物を示しており、このステップは必要に応じて洗浄及び研磨による通常の方法で処理するための上側面５８及び下側面６０の準備である。図６（ｂ）は、このプロセスの次のステップの結果物を示し、このステップは、磁性ウェル（井戸）６２を形成するように、下側面６０のマスキング及び深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である。図６（ｃ）は、このプロセスの次のステップの結果物を示し、このステップは、コイル層凹部６４を形成するように、上側面５８のマスキング及びＤＲＩＥである。図６（ｄ）は、このプロセスの次の２つのステップの結果物を示し、柔軟領域６６及び結合ポスト６８を形成し、これによって実質的に表される磁性層サブ要素６９を完成するように、このステップは上側面５８のマスキング及びＤＲＩＥである。また、結合ポスト６８がウエハの対面図における図８（磁性ウェル６２は、図６の例示プロセスを説明するように隠れ線で、及び、図７の例示プロセスの実線において境界されるべきである。）にも示されている。柔軟領域６６の最終厚は、最終マイクロジェネレータの必要な共鳴周波数に必要なバネ定数を提供するように構築される（図１１で後述）。図８の開領域７１は、柔軟領域６６によってのみ結合された磁性ウェル６２を残すように完全にエッチングで除去される。この磁性層製造プロセスの最終ステップは、磁性層サブ要素６９の磁性ウェル６２への強磁性体７０の配置であり（図１１（ｃ）参照）、これは、図６（ｄ）に示された磁性層サブ要素６９の完成直後に実行されるか、あるいは、ここに説明したとおり、マイクロジェネレータ磁性層及びコイル層要素の組立の後まで延期される（図１１参照）。

図７（ａ）〜（ｅ）を含む図７は、本発明の別の磁性層製造プロセスの側面図である。このプロセスもまた、図７（ａ）で示されるとおり、半導体ウエハ５６で始まる。図７（ａ）は、このプロセスの第１ステップの結果物を示しており、このステップは必要に応じて洗浄及び研磨による通常の方法で処理するための上側面５８及び下側面６０の準備である。図７（ｂ）は、このプロセスの次のステップの結果物を示し、このステップは、コイル層凹部６４を形成するように、上側面５８のマスキング及び反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である。図７（ｃ）は、このプロセスの次のステップの結果物を示し、このステップは、磁性ウェル６２を形成するように、上側面５８のマスキング及びＤＲＩＥである。図７（ｄ）は、このプロセスの次の２つのステップの結果物を示し、このステップは、柔軟領域６６及び結合ポスト６８を形成するように、上側面５８のマスキング及びＤＲＩＥであり、これはウエハの対面図における図８（磁性ウェル６２は、図６の例示プロセスを説明するように隠れ線で、及び、図７の例示プロセスの実線において境界されるべきである。）にも示されている。柔軟領域６６の最終厚は、最終マイクロジェネレータの必要な共鳴周波数に必要なバネ定数を提供するように構築される（図１２で後述）。

図８は開領域７１を示し、これは柔軟領域６６によってのみ結合された磁性ウェル６２を残すように完全にエッチングで除去される。図７（ｅ）は、このプロセスの最終ステップの結果物を示し、このステップは、強磁性体７０の磁性ウェル６２内への配置である。強磁性体７０は、例えば、４０ｋＯｅ磁場を有するスパッタされたＣｏＰｔＣｒのような適切な「強力」強磁性材料を含むべきであり、尚且つ、１磁極が磁性ウェル６２底部に結合されると共に他の極が磁性体７０の頂面でむき出しになるように配置される必要がある。これによって、実質的に示された磁性層要素７２を完成する。

図９（ａ）〜（ｄ）を含む図９は、本発明の例示のコイル層（基板）製造プロセスの側面図である。このプロセスは、図９（ａ）に示されるとおり、半導体ウエハ７４で始まる。材料は半導体シリコン又は他の有用な半導体材料である。以下の説明は、１つのコイル層の準備（製造）に限定されるが、本技術分野の実施者にとって、多くのこのようなコイル要素が１回のプロセスで１つの半導体ウエハ上に同時に製造され、本技術分野で公知のウエハダイスプロセスでウエハから分離されることは明らかである。図９（ａ）は、このプロセスの第１ステップの結果物を示しており、このステップは必要に応じて洗浄及び研磨による通常の方法で処理するための上側面７６及び下側面７８の準備である。図９（ｂ）は、このプロセスの次のステップの結果物を示し、このステップは、コイルウェル（井戸）８０を形成するように、上側面７６のマスキング及び反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である。図９（ｃ）は、このプロセスの次のステップの結果物を示し、このステップは、コイルウェル８０内への導電コイル８２の配置である。コイル８２の配置は、例えば、マスキングパターン内への銅又はアルミニウムのイオン堆積（蒸着）のような、当該技術分野で公知のいくつかの任意の有用な技術を使用して、あるいは、例えば、導電層（図示せず）をコイルウェル８０底部に結合すると共に所望のコイル形状を形成するように導電層をマスキング及びエッチングすることによって実行される。例えば、コイルは、１ｍｍの半径に２，５００巻きを含む。図９（ｄ）は、このプロセスの最終ステップの結果物を示し、このステップは、結合ポスト通孔８４を形成するための上側面７６又は下側面７８のいずれかのマスキング及びＤＲＩＥである。これによって、実質的に示したようにコイル層要素８６を完成させる。

図１０は、ウエハ対面図における結合ポスト通孔８４を示す。図１０はまた２つの導電コイル８２に電気接続することを可能にするように配置されたターミナル８８及び９０を示す。

図１１（ａ）〜（ｃ）を含む図１１は、図１１（ｃ）で示される本発明のマイクロジェネレータの第１実施形態の製造の側面図である。図１１（ａ）は、このプロセスの第１ステップの結果物を示し、このステップは、結合面９４Ａにおける第１磁性層サブ要素６９Ａへのコイル層要素８６の結合である。図１１（ｂ）は、このプロセスの第２ステップの結果物を示し、このステップは、結合面９４Ｂにおけるコイル層要素８６への第２磁性層サブ要素６９Ｂの結合、及び、結合ポスト面９６における第１磁性層サブ要素６９Ａへの第２磁性層サブ要素６９Ｂの結合である。柔軟領域６６によって提供される機械的結合とは別に、コイル８２が結合ポスト面９６から機械的に分離（隔離）したままであるように、十分なクリアランスが提供されることに注目されたし。マイクロジェネレータの製造プロセスの最終ステップは、磁性層サブ要素６９Ａ及び６９Ｂの各磁性ウェル６２への強磁性体７０Ａ及び７０Ｂ（すなわち強磁性体７０）の配置である。この代わりに、マイクロジェネレータ９２の組立を開始する前、磁性層サブ要素６９の完成直後にこれを実施してもよい。

図１２（ａ）〜（ｂ）を含む図１２は、図１２（ｂ）に示される本発明のマイクロジェネレータの第２実施形態９８の製造の側面図である。図１２（ａ）は、このプロセスの第１ステップの結果物を示し、このステップは、結合面１００Ａにおける第１磁性層要素７２Ａへのコイル層要素８６の結合である。図１２（ｂ）は、このプロセスの第２ステップの結果物を示し、このステップは、結合面１００Ｂにおけるコイル層要素８６への第２磁性層要素７２Ｂの結合、及び、結合ポスト面１０２における第１磁性層要素７２Ａへの第２磁性層要素７２Ｂの結合である。柔軟領域６６によって提供される機械的結合とは別に、コイル８２が結合ポスト面１０２から機械的に分離（隔離）したままであるように、十分なクリアランスが提供されることに注目されたし。

測定値及び計算値に基づいて、発明者は、本発明のＭＥＭＳ発電機が出力電圧１００ｍＶ〜５，０００ｍＶで出力電力１０〜５００ｍＷ／ｃｃを提供可能であることを示唆する。

本発明の他の実施形態及び改変例が、これら開示における本技術分野の当業者にとって明らかに実行可能である。すなわち、本発明は、添付した請求項の範囲によってのみ限定され、本明細書及び図面を併せて考慮したとき、全ての実施形態及び改変例を含む。

本発明の特徴を説明するようにここに記載された細部、材料、ステップ及び部位の配置への多くの付加的な変更が特許請求の範囲で表される本発明の技術的範囲内で当業者によってなされることが理解されよう。

検索スペースにおいて対象を検知するシステム及び方法の説明から、種々の技術が本発明の技術的範囲から離れることなくシステム１０のコンセプトを実施することに使用されることは明白である。説明した実施形態は、全ての点で、限定ではなく説明として見なされるべきである。システム１０がここに記載した特定の実施形態に限定されないこともまた理解すべきであるが、多くの実施者は請求の範囲から外れることなく実施可能である。

Claims

基板と、
前記基板に結合された複数の柔軟領域（４６，４８，６６）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４６，６６）に連結された第１の強磁性体（４２，７０）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４８，６６）に連結された第２の強磁性体（４４，７０）であって、
前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が磁束ギャップを隔てて配置され、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の前記磁束ギャップを介して対向する磁気極性が同じであり、前記第１及び第２強磁性体（４２，４４，７０）が前記磁束ギャップ内で急な磁束勾配を形成するように配置された、第２の強磁性体（４４，７０）と、
前記基板に結合されると共に前記急な磁束勾配領域内に配置されたコイル（３０，８２）であって、前記急な磁束勾配領域内で、前記基板に対する前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の運動によって発生する変動磁束に曝されるコイル（３０，８２）と、を備え、
前記２つの強磁性体は、互いに剛結合されていると共に同期移動するように配置されている振動エネルギー獲得装置。
前記結合した強磁性体は、基板加速に応答して前記基板に対して直線的に移動することを特徴とする請求項１記載の装置。
前記変動磁束に応答して流れる電流を伝導させるための、前記コイルに結合された導体をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置される複数の独立コイルであって、前記磁束ギャップ内で前記変動磁束に曝される複数の独立コイルをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
前記コイルは、前記磁束ギャップ内及び前記結合した強磁性体の外周で定められる体積の外側に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記コイルは、前記磁束ギャップ内及び前記結合した強磁性体の外周で定められる体積の内側に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
基板と、
少なくとも１つのモノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）と、を備えており、
前記各モノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）は、
前記基板に結合された複数の柔軟領域（４６，４８，６６）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４６，６６）に連結された少なくとも１つの第１の強磁性体（４２，７０）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４６，４８，６６）に連結された少なくとも１つの第２の強磁性体（４４，７０）であって、
前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が磁束ギャップを隔てて配置され、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の前記磁束ギャップを介して対向する磁気極性が同じであり、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が前記磁束ギャップ内で急な磁束勾配を形成するように配置された、第２の強磁性体（４４，７０）と、
前記基板に結合されると共に前記急な磁束勾配領域内に配置されたコイル（３０，８２）であって、前記急な磁束勾配領域内で、前記基板に対する前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の運動によって発生する変動磁束に曝されるコイル（３０，８２）と、
磁束変化に応答して流れる電流を伝導させるための、当該モノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）に結合した導体と、を備え、
前記１又は複数のモノリシックマイクロジェネレータでは、前記２つの強磁性体が互いに剛結合されていると共に同期移動するように配置されていることを特徴とする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発電機。
前記１又は複数のモノリシックマイクロジェネレータでは、前記各強磁性体及び前記対応する１又は複数の柔軟領域が、１０Ｈｚから５０Ｈｚの間の共鳴周波数を有する共鳴バネ質量系を形成することを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ発電機。
前記１又は複数のモノリシックマイクロジェネレータでは、前記コイルは、前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置される複数の独立コイルを備え、前記磁束ギャップ内で前記コイルが前記変動磁束に曝されることを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ発電機。
前記基板は、基本的に結晶シリコンから構成されることを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ発電機。
前記コイルは、前記磁束ギャップ内及び前記結合した強磁性体の外周で定められる体積の外側に配置されることを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ発電機。
前記コイルは、前記磁束ギャップ内及び前記結合した強磁性体の外周で定められる体積の内側に配置されることを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ発電機。
前記結合した強磁性体は、基板加速に応答して前記基板に対して直線方向に移動することを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ発電機。
基板と、
前記基板に結合された複数の柔軟領域（４６，４８，６６）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４６，６６）に連結された少なくとも１つの第１の強磁性体（４２，７０）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４８，６６）に連結された少なくとも１つの第２の強磁性体（４４，７０）であって、
前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が磁束ギャップを隔てて配置され、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の前記磁束ギャップを介して対向する磁気極性が同じであり、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が前記磁束ギャップ内で急な磁束勾配を形成するように配置された、第２の強磁性体（４４，７０）と、
前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置されたコイル（３０，８２）であって、前記磁束ギャップ内で、前記基板に対する前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の運動によって発生する変動磁束に曝されるコイル（３０，８２）と、
前記変動磁束に応答して流れる電流を伝導するための、前記コイル（３０，８２）に結合された導体と、を備え、
前記２つの強磁性体（４２，４４，７０）が互いに剛結合されていると共に同期移動するように配置されていることを特徴とするエネルギー獲得装置。
前記各強磁性体及び前記対応する１又は複数の柔軟領域が、１０Ｈｚから５０Ｈｚの間の共鳴周波数を有する共鳴バネ質量系を形成することを特徴とする請求項１４記載の装置。
前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置され、前記磁束ギャップ内で前記変動磁束に曝される複数の独立コイルをさらに備えることを特徴とする請求項１４記載の装置。
前記基板は、基本的に結晶シリコンから構成されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
前記内部磁極が前記磁束ギャップ内に急な磁束勾配領域を形成することを特徴とする請求項１４記載の装置。
基板と、
少なくとも１つのモノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）とを備えており、
前記各モノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）は、
前記基板に結合された複数の柔軟領域（４６，４８，６６）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４６，６６）に連結された少なくとも１つの第１の強磁性体（４２，７０）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して相対移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４８，６６）に連結された少なくとも１つの第２の強磁性体（４４，７０）であって、
前記第１及び第２強磁性体（４２，４４，７０）が磁束ギャップを隔てて配置され、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の前記磁束ギャップを介して対向する磁気極性が同じであり、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が前記磁束ギャップ内で急な磁束勾配を形成するように配置された、第２の強磁性体（４４，７０）と、
前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置されたコイル（３０，８２）であって、前記磁束ギャップ内で、前記基板に対する前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の運動によって発生する変動磁束に曝されるコイル（３０，８２）と、
磁束変化に応答して流れる電流を伝導するための、前記各モノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）の前記コイル（３０，８２）に結合した導体と、を備え、
前記１又は複数のモノリシックマイクロジェネレータ（９２，９８）では、前記２つの強磁性体（４２，４４，７０）が互いに剛結合されていると共に同期移動するように配置されていることを特徴とする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発電機。
前記１又は複数のモノリシックマイクロジェネレータでは、前記各強磁性体及び前記対応する１又は複数の柔軟領域が、１０Ｈｚから５０Ｈｚの間の共鳴周波数を有する共鳴バネ質量系を形成することを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ発電機。
前記１又は複数のモノリシックマイクロジェネレータでは、複数の独立コイルが前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置され、前記磁束ギャップ内で前記コイルが前記変動磁束に曝されることを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ発電機。
前記基板は、基本的に結晶シリコンから構成されることを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ発電機。
基板と、
前記基板に結合された複数の柔軟領域（４６，４８，６６）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して直線方向に移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４６，６６）に連結された第１の強磁性体（４２，７０）と、
内部磁極を有し、前記基板の加速に応答して前記基板に対して直線方向に移動するように、対応する少なくとも１つの前記柔軟領域（４８，６６）に連結された第２の強磁性体であって、
前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が磁束ギャップを隔てて配置され、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の前記磁束ギャップを介して対向する磁気極性が同じであり、前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）が前記磁束ギャップ内で急な磁束勾配を形成するように配置された、第２の強磁性体（４４，７０）と、
前記基板に結合されると共に前記磁束ギャップ内に配置されたコイル（３０，８２）であって、前記磁束ギャップ内で、前記基板に対する前記第１及び第２の強磁性体（４２，４４，７０）の運動によって発生する変動磁束に曝されるコイル（３０，８２）と、
前記変動磁束に応答して流れる電流を伝導するための、前記コイル（３０，８２）に結合された導体と、を備え、
前記２つの強磁性体が互いに剛結合されていると共に同期移動するように配置されていることを特徴とするエネルギー獲得手段。
前記各強磁性体及び前記対応する１又は複数の柔軟領域が、１０Ｈｚから５０Ｈｚの間の共鳴周波数を有する共鳴バネ質量系を形成することを特徴とする請求項２３記載のエネルギー獲得手段。
前記基板は、基本的に結晶シリコンから構成されることを特徴とする請求項２３記載のエネルギー獲得手段。
前記結合した強磁性体は、基板加速に応答して前記基板に対して直線方向に移動することを特徴とする請求項２３記載の装置。
前記結合した強磁性体は、基板加速に応答して前記基板に対して直線方向に移動することを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ発電機。