JP6569933B2 - エレクトレット素子、電気機械変換器およびエレクトレット素子の製造方法 - Google Patents
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Description
請求項2の発明に係る電気機械変換器は、請求項1に記載のエレクトレット素子で構成された第1電極と、前記第1電極と対向配置され、前記第1電極に対して相対的に変位可能な第2電極と、を備え、前記第1および第2電極が相対変位することにより電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間の変換を行う。
請求項3の発明は、請求項2に記載の電気機械変換器において、前記Si層はSi基板で構成され、前記電気機械変換器を駆動するための回路素子の少なくとも一部が、前記Si基板に形成されている。
請求項4の発明は、請求項2または3に記載の電気機械変換器において、外力の作用により前記第1および第2電極の一方の電極が他方の電極に対して移動して発電を行う。
請求項5の発明は、請求項2または3に記載の電気機械変換器において、前記第1電極が設けられた静止部と、前記第2電極が設けられた可動部と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧源と、前記電圧源による印加電圧を制御して前記可動部を駆動する制御部と、を備える。
請求項6の発明は、請求項1に記載のエレクトレット素子を製造する方法であって、前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記SiO2層が半導体状態となる第1の温度に維持しつつ、前記Si層と前記SiO2層との間に電圧を印加する第1の工程と、前記電圧を印加した状態で、前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記第1の温度から前記SiO2層が絶縁性を回復する第2の温度まで変化させ前記エレクトレットを形成する第2の工程と、を有する。
−第1の実施の形態−
第1の実施形態に係るエレクトレット素子は、界面を挟んでSi層とSiO2層とを形成し、SiO2層側の界面近傍にエレクトレットを形成したものである。本発明者は、以下に説明するようなSi/SiO2界面の電気的特性を見出し、その電気的特性を利用してSiO2層にエレクトレットを形成した。
図3は、本実施の形態のエレクトレット素子における帯電原理を説明する図である。SiO2層201をSi層202,203で挟んだ構造の基板(例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板)200をSiO2が半導体化する高温(500〜700℃)に加熱した状態で、図3に示すように電圧V1を印加すると、Si/SiO2界面204を挟んで電気二重層が形成される。なお、通常、Si層には不純物がドープされたものが使用されるが、その場合、p型およびn型のどちらも使用することができる。また、不純物を含まないSi層であっても良い。
ε1・E1・S=Q1 …(1)
(ε1・E2−ε1・E1)・S=Q2 …(2)
−ε1・E2・S=Q3 …(3)
g・E1+d・E2=−V …(4)
Q1=−d・Q2/(g+d)−ε1・S・V/(g+d) …(5)
Q3=−Q2−Q1 …(6)
V=V1 …(7)
Q1=0 …(8)
Q2=−ε1・S・V1/d …(9)
Q1=−ε1・S・(V1−V)/(g+d) …(10)
Q1=−ε1・S・V1/(g+d) …(11)
|Q1|<<|Q2| …(12)
第2の実施の形態は、第1の実施の形態のエレクトレット素子を、機械電気変換器の一例である櫛歯構造の振動発電デバイスに適用したものである。図8は振動発電デバイス300の概略構成を示す模式図である。この振動発電デバイス300も第1の実施の形態のエレクトレット素子の場合と同様に、SOI基板を一般的なMEMSの場合と同様の半導体集積回路作製技術(例えば、ICP−RIEによる深掘りエッチング等)を用いて加工することにより形成される。
帯電処理を行う場合、図11に示すようにバイアス電圧V1を、固定櫛歯電極302と可動櫛歯電極303および台座301との間に印加する。まず、振動発電デバイス300を、SiO2から成る酸化膜310が半導体化する温度(500〜700℃)まで加熱する。そして、固定櫛歯電極302のSi/SiO2界面306を挟んで電気二重層が形成されるように(図10参照)、バイアス電圧V1を印加する。
ε1・E3・S=Q4 …(13)
(ε0・E4−ε1・E3)・S=0 …(14)
(ε1・E5−ε0・E4)・S=0 …(15)
(ε1・E6−ε1・E5)・S=Q5 …(16)
−ε1・E6・S=Q6 …(17)
g1・E3+g2・E4+g3・E5+d・E6=−V …(18)
Q6=−Q5−Q4 …(19)
Q5=−[(d+g1+g2(ε1/ε0)+g3)/d]Q4
−ε1・S・V/d …(20)
Q5=−ε1・S・V1/d …(21)
Q4=−ε0・S・(V1−V)/[g’+d・(ε0/ε1)] …(22)
ただし、g’=g2+(g1+g3)・(ε0/ε1)
Q4=−ε0・S・V1/[g’+d・(ε0/ε1)] …(23)
E4=−V1/[g’+d・(ε0/ε1)] …(24)
次に、振動発電デバイス300の発電動作について説明する。図16は、固定櫛歯電極302に対して可動櫛歯電極303がスライド移動して、櫛歯同士のオーバーラップがゼロとなった状態(c)と、櫛歯の半分がオーバーラップした状態(b)と櫛歯の全体がオーバーラップした状態(a)とを模式的に示したものである。これは、低インピーダンス極限の負荷320を接続した場合に相当し、式(22)において、面積S(オーバーラップ面積に相当)が変化することによって面電荷Q4の電荷量が変化することに対応している。なお、ここでは説明を簡単にするために、面電荷Q5に示すマイナス符号1つを電荷量−qとし、面電荷Q4,Q6に示すプラス符号1つを電荷量+qとみなして電荷量の変化を説明する。
第3の実施の形態は、MEMSシャッタの櫛歯型アクチュエータに、第1の実施の形態のエレクトレット素子を適用したものである。図17は本実施の形態のMEMSシャッタ400の概略構成を示す図である。なお、図8に示した振動発電デバイス300と同様の構成要素には同一の符号を付した。すなわち、MEMSシャッタ400はSOI基板を加工することにより形成され、矩形リング形状の台座301に固定された固定櫛歯電極302、弾性支持部305によって台座301に固定された可動櫛歯電極303を備えている。固定櫛歯電極302および可動櫛歯電極303は、櫛歯型アクチュエータを構成している。可動櫛歯電極303には開口404aが形成されたシャッタ部404が設けられている。
図18〜20は櫛歯型アクチュエータの駆動動作を説明する図である。図18は電圧源401の印加電圧VがV=0の場合を示す。図18において、(a)は可動櫛歯電極303に作用する力F1,F2を示し、(b)は印加電圧Vと電場E4との関係を示す図である。印加電圧V=0の場合、Si層311aとSi層311bとは同電位となり、図15,16に示す場合と同じ状態となっている。固定櫛歯電極302と可動櫛歯電極303との間のギャップ空間Gには、前述した式(24)で表される電場E4が形成される。この電場E4によって、可動櫛歯電極303には、固定櫛歯電極302の櫛歯間に引き込まれるような図示右向きの力F1が作用する。
E4=−(V1−V)/[g’+d・(ε0/ε1)] …(25)
Claims (6)
- Si層と、
前記Si層の表面に形成されたSiO2層と、
前記SiO2層における前記Si層との界面の近傍に形成されたエレクトレットと、を備え、
前記エレクトレットは、前記SiO 2 層において前記界面の近傍にトラップされた負電荷であり、電気二重層を形成する正電荷が前記Si層に誘導されるエレクトレット素子。 - 互いに対向配置され、少なくとも一方が移動可能な第1および第2電極を備え、
前記第1電極は請求項1に記載のエレクトレット素子で構成され、
前記第1および第2電極の少なくとも一方が移動することにより、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間の変換を行う電気機械変換器。 - 請求項2に記載の電気機械変換器において、
前記Si層はSi基板で構成され、
前記電気機械変換器を駆動するための回路素子の少なくとも一部が、前記Si基板に形成されている電気機械変換器。 - 請求項2または3に記載の電気機械変換器において、
外力の作用により前記第1および第2電極の少なくとも一方の電極が移動して発電を行う電気機械変換器。 - 請求項2または3に記載の電気機械変換器において、
前記第1電極が設けられた静止部と、
前記第2電極が設けられた可動部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧源と、
前記電圧源による印加電圧を制御して前記可動部を駆動する制御部と、を備える電気機械変換器。 - 請求項1に記載のエレクトレット素子を製造する方法であって、
前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記SiO2層が半導体状態となる第1の温度に維持しつつ、前記Si層と前記SiO2層との間に電圧を印加する第1の工程と、
前記電圧を印加した状態で、前記SiO2層が形成された前記Si層を、前記第1の温度から前記SiO2層が絶縁性を回復する第2の温度まで変化させ前記エレクトレットを形成する第2の工程と、を有するエレクトレット素子の製造方法。
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