JP6858370B2 - Power generation element - Google Patents
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Description
本発明は、発電素子に関し、より具体的には、片持ち梁構造を有する振動発電素子に関する。 The present invention relates to a power generation element, and more specifically, to a vibration power generation element having a cantilever structure.
圧電体を備える片持ち梁構造により、振動エネルギーを電力エネルギーに変換する振動発電素子がある。この片持ち梁構造は、錘と梁、及び2つの金属に挟まれた圧電体からなる。この振動発電素子として、半導体のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて作製される片持ち梁が広く利用される。さらに、圧電体として高い圧電係数を有するスカンジウム窒化アルミニウム(ScAlN)を用いることが提案されている(特許文献1)。 There is a vibration power generation element that converts vibration energy into electric power energy by a cantilever structure including a piezoelectric body. This cantilever structure consists of a weight, a beam, and a piezoelectric body sandwiched between two metals. As this vibration power generation element, a cantilever beam manufactured by using a semiconductor MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is widely used. Further, it has been proposed to use scandium aluminum nitride (ScAlN) having a high piezoelectric coefficient as the piezoelectric material (Patent Document 1).
ScAlNは本質的に極めて大きな圧縮応力を有する材料であり、片持ち梁の梁上にScAlNを配置すると、ScAlNの圧縮応力により片持ち梁が下方向に大きく下方向に垂れ下がってしまう。変形した片持ち梁に対して上下方向に加振された場合に、錘が感じる慣性力は垂れ下がり角度に依存して小さくなり、得られる発電量が小さくなる。加えて、大きな応力は、片持ち梁の製造における歩留まり低下の原因となり、製造コストが上昇するといった課題がある。 ScAlN is essentially a material having an extremely large compressive stress, and when ScAlN is placed on a beam of a cantilever, the cantilever hangs down significantly due to the compressive stress of ScAlN. When the deformed cantilever is vibrated in the vertical direction, the inertial force felt by the weight becomes smaller depending on the hanging angle, and the amount of power generation obtained becomes smaller. In addition, a large stress causes a decrease in the yield in the production of the cantilever, and there is a problem that the production cost increases.
本発明は、圧電体が有する過度な圧縮応力を補償し、加振に対して効率的/効果的に圧電体に歪を誘起させることにより大きな発電量を得ることが可能な発電素子を提供することを目的とする。 The present invention provides a power generation element capable of obtaining a large amount of power generation by compensating for the excessive compressive stress of the piezoelectric body and inducing strain in the piezoelectric body efficiently / effectively with respect to vibration. The purpose is.
本発明の他の一態様では、梁部と錘部を含む片持ち梁構造を有し、梁部は、基板上に積層された2つの電極層で挟まれた圧電体と、上側の電極層の上面及び下側の電極層の下面の少なくとも一方に接する少なくとも1つの応力補償層とを含み、圧電体はScAlNを含み、応力補償層はAlNを含む、発電素子を提供する。 In another aspect of the present invention, the beam portion has a cantilever structure including a beam portion and a weight portion, and the beam portion includes a piezoelectric body sandwiched between two electrode layers laminated on a substrate and an upper electrode layer. see contains at least one stress compensation layer in contact with at least one of the lower surface of the upper surface and the lower electrode layer, the piezoelectric body contains ScAlN, stress compensation layer comprises AlN, providing the power generating element.
本発明の一態様では、梁部と錘部を含む片持ち梁構造を有し、梁部は、基板上に積層された2つの電極層で挟まれた圧電体と、圧電体の下面及び上面の少なくとも一方に接する少なくとも1つの応力補償層とを含み、圧電体はScAlNを含み、応力補償層はAlNを含む、発電素子を提供する。 In one aspect of the present invention, the beam portion has a cantilever structure including a beam portion and a weight portion, and the beam portion includes a piezoelectric body sandwiched between two electrode layers laminated on a substrate, and a lower surface and an upper surface of the piezoelectric body. see contains at least one stress compensation layer in contact with at least one of the piezoelectric body comprises a ScAlN, stress compensation layer comprises AlN, providing the power generating element.
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態の発電素子100の構成を示す断面図である。発電素子100は、基部(支点部)1から延びる片持ち梁(カンチレバー)構造を有する。片持ち梁構造は、梁部2と錘部3を含む。梁部2と錘部3は、例えば1つのSi基板あるいはSOI基板を用いて作ることができる。その際、梁部2は基板を異方性エッチング等により薄くして利用し、錘部3は基板の厚さをそのまま、あるいは所定の厚さにして利用することができる。いずれも従来からある半導体の加工プロセス(MEMS技術)を用いて製造することができる。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a
図2から図6は、図1の一実施形態の発電素子100の梁部2のA−A断面の多層構成の例を示す図である。図2から図6の多層構成は、梁部2の全体あるいは少なくとも所定の範囲以上に設けることができる。なお、発電量を増やすことを考慮すると、多層構成は梁部2のほぼ全体に設けることが望ましい。
2 to 6 are views showing an example of a multi-layer configuration of the AA cross section of the
図2から図6では、基板20としてSi基板、2つの電極層21、21として白金(Pt)、圧電体23としてスカンジウム窒化アルミニウム(ScAlN)、応力補償層24として窒化アルミニウム(AlN)、絶縁層25として酸化シリコン(SiO2)をそれぞれ用いた場合の例を示している。基板20としてはSi単結晶基板、多結晶Si基板、あるいは上述したSOI基板を用いることができる。
In FIGS. 2 to 6, a Si substrate is used as the
2つの電極層21、21としては、Pt以外に例えばモリブデン(Mo)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、白金とチタンとの積層膜(Pt/Ti)、ルテニウム(Ru)、Ruとタンタル(Ta)の積層膜(Ru/Ta)、RuとWの積層膜(Ru/W)、および金とクロムの積層膜(Au/Cr)などを用いることができる。圧電体23のScAlNにおけるScの含有率は、0.5〜50原子%の範囲、より具体的には例えば0.5〜35原子%、10〜35原子%、あるいは40〜50原子%の範囲とすることができる。絶縁層25としてSiO2以外に例えば窒化シリコン(SiN)、あるいはSiO2とSiNの積層膜などを用いることができる。
In addition to Pt, the two
既に上述したように、圧電体23のScAlNは本質的に極めて大きな圧縮応力を有する材料であることから、本発明の一実施形態では、ScAlNの持つ大きな圧縮応力を補償し、片持ち梁の変形を防ぐ方法として、ScAlNとともに応力補償層24としてAlNを利用する。AlNはScAlNとは反対の引張応力を有する絶縁体であり、2つの電極層21、21に挟まれたScAlNの外側にAlNを配置することで、全体の応力を緩和することができる。
As already described above, since ScAlN of the
本発明の一実施形態の発電素子100の発電動作は、従来からの発電動作と同様に、発電素子100が加振されると錘部3が上下方向に変位し、梁部2上に配置された圧電体23に歪が誘起される。その歪によって圧電体23内に上下方向の分極が生じ、2つの電極層21、22間に起電力が発生する。
In the power generation operation of the
図2と図3は、いずれもAlNの応力補償層24を2つのPt電極21、22の外側に配置した例を示す。図2は、Si基板20上にAlNの応力補償層24を設け、その上に2つのPt電極21、22に挟まれたScAlNの圧電体23を設けた積層構成を示す。AlNの応力補償層24は下側のPt電極21の下面に接している。図2の構成では、AlNが絶縁性を有するので、Si基板20上に別途熱酸化膜(SiO2)のような絶縁層を設ける必要がない。
2 and 3 both show an example in which the AlN
熱酸化膜(SiO2)は圧縮応力を有しており、ScAlNの大きな圧縮応力と合わせて、極めて大きな圧縮応力がSi基板20に加わることになる。Si基板上に結晶性良く成膜可能であり、かつ良好な絶縁性を有しながら、引張応力を有するAlNを絶縁体として、この場合は熱酸化膜(SiO2)の替わりに用いることで全応力を大きく低減させることができる。
The thermal oxide film (SiO 2 ) has a compressive stress, and in addition to the large compressive stress of ScAlN, an extremely large compressive stress is applied to the
図3は、Si基板20上に絶縁層25としてSiO2を設け、その上に2つのPt電極21、22に挟まれたScAlNの圧電体23を設け、さらに、上側のPt電極22上にAlNの応力補償層24を設けた積層構成を示す。AlNの応力補償層24は上側のPt電極22の上面に接している。図3の構成では、Si基板20上にSiO2層25を有するので、その分圧縮応力が大きくなるが、Pt電極22上のAlNの応力補償層24によって全体の圧縮応力を補償/低減させることができる。
In FIG. 3, SiO 2 is provided as an
図4〜図6は、いずれもAlNの応力補償層24を2つのPt電極21、22の間(内側)に配置した例を示す。AlNの応力補償層24が、2つのPt電極21、22の間にあることから、図2と図3の2つのPt電極21、22の外側にある場合に比べて、発電性能が低下する。しかし、AlNが圧電材料であるため、その他の材料を用いた場合に比べてその発電性能の低下を小さく抑制することができる。
4 to 6 show an example in which the AlN
図4は、Si基板20上に絶縁層25としてSiO2を設け、その上に2つのPt電極21、22に挟まれたScAlNの圧電体23を設け、さらに、下側のPt電極21とScAlNの圧電体23の間にAlNの応力補償層24を設けた積層構成を示す。AlNの応力補償層24はScAlNの圧電体23の下面に接している。
In FIG. 4, SiO 2 is provided as an
図5は、Si基板20上に絶縁層25としてSiO2を設け、その上に2つのPt電極21、22に挟まれたScAlNの圧電体23を設け、さらに、上側のPt電極22とScAlNの圧電体23の間にAlNの応力補償層24を設けた積層構成を示す。AlNの応力補償層24はScAlNの圧電体23の上面に接している。
In FIG. 5, SiO 2 is provided as an
図6は、Si基板20上に絶縁層25としてSiO2を設け、その上に2つのPt電極21、22に挟まれた2つのScAlNの圧電体23、26を設け、さらに、2つのScAlNの圧電体23、26の間にAlNの応力補償層24を設けた積層構成を示す。AlNの応力補償層24は、下側のScAlNの圧電体23の上面及び上側のScAlNの圧電体26の下面に接している。
In FIG. 6, SiO 2 is provided as an insulating
図2から図6の実施形態では、AlNの応力補償層24はいずれも1層のみ設けられているが、本発明の実施形態はその1層のみに限定されず、配置を変えた2層以上のAlNの応力補償層24を設けてもよい。例えば、図2の構成例では、さらに上側のPt電極22の上にもう一つのAlNの応力補償層を追加し、全体で2つのAlNの応力補償層を有する構成とすることができる。同様に、図4の構成例では、さらに上側のPt電極22の上に追加のAlNの応力補償層を追加することができる。あるいは、図5の構成例において、下側のPt電極21とScAlNの圧電体23の間に追加のAlNの応力補償層を設けることもできる。
In the embodiments of FIGS. 2 to 6, the
本発明の図2から図6の実施形態によると、その製造プロセス途中に応力補償層24を形成することによって、常に基板の全応力を低い水準に保ったまま、製造プロセスを進めることができる。その結果、従来の製造プロセス途中で基板の大きな全応力が膜剥がれを引き起こし、製造歩留まりの低下を誘発してしまうことを改善することができる。
According to the embodiments of FIGS. 2 to 6 of the present invention, by forming the
図7と図8を参照しながら本発明の一実施例の発電素子について説明する。図7は、実際に作製した、従来技術による発電素子(a)と、本発明の一実施例の発電素子(b)の外観を示す図(写真)である。本発明の一実施例の発電素子(b)は、SOI基板(4インチウエハ)を用いて作製した。両図において、Beamが梁部を示し、Massが錘部を示している。図7(b)の幅Wは約4mmであり、梁部(Beam)の長さL1は約3.2mmであり、錘部(Mass)の長さL2は約3.6mmである。また、錘部(Mass)の厚さは約400μmである。 A power generation element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8. FIG. 7 is a diagram (photograph) showing the appearance of the power generation element (a) according to the prior art and the power generation element (b) according to the embodiment of the present invention, which are actually manufactured. The power generation element (b) of the embodiment of the present invention was manufactured using an SOI substrate (4 inch wafer). In both figures, Beam indicates a beam portion and Mass indicates a weight portion. The width W of FIG. 7B is about 4 mm, the length L1 of the beam portion (Beam) is about 3.2 mm, and the length L2 of the weight portion (Mass) is about 3.6 mm. The thickness of the mass portion is about 400 μm.
図8は、図7(b)の本発明の一実施例の発電素子の梁部の多層構造の構成を示す図である。図8の積層構成は、上述した図4の構成、すなわち下側のPt電極21とScAlNの圧電体23の間にAlNの応力補償層24を設けた構成に相当する。各層の厚さは図8に示した通りである。図8のScAlN層23のScの含有率は約39原子%である。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a multi-layer structure of a beam portion of a power generation element according to an embodiment of the present invention of FIG. 7 (b). The laminated configuration of FIG. 8 corresponds to the configuration of FIG. 4 described above, that is, a configuration in which an AlN
図7の外観から明らかなように、(a)の従来の発電素子では、AlNの応力補償層を用いていないので、錘部(Mass)が大きく垂れ下がってしまっており、多層膜成膜後の4インチウエハにおける反り量は最大で約174μmであった。一方、(b)の本発明の一実施例の発電素子では、AlNの応力補償層を用いているので、多層膜成膜後の4インチウエハにおける反り量は約3μmと大きく改善されることがわかった。 As is clear from the appearance of FIG. 7, since the conventional power generation element (a) does not use the stress compensation layer of AlN, the weight portion (Mass) hangs down greatly, and after the multilayer film is formed. The maximum amount of warpage in the 4-inch wafer was about 174 μm. On the other hand, since the power generation element according to the embodiment of the present invention (b) uses the stress compensation layer of AlN, the amount of warpage in the 4-inch wafer after the multilayer film is formed can be greatly improved to about 3 μm. all right.
また、実際に発電素子を0.5m/s2の一定の大きさで加振しながら直流発電量(μW)を測定した。その結果、応力補償層の無い従来の発電素子(a)は、最大で1.6Vで0.13μWの発電量であったのに対して、本発明の応力補償層を設けた一実施例の発電素子(b)は、最大で2.1Vで0.21μWの発電量を得ることができ、従来の発電素子(a)に比べて約66%発電量が増加することが確認できた。 Further, the DC power generation amount (μW) was actually measured while vibrating the power generation element at a constant magnitude of 0.5 m / s 2. As a result, the conventional power generation element (a) without the stress compensation layer has a maximum power generation amount of 1.6 V and 0.13 μW, whereas the conventional power generation element (a) provided with the stress compensation layer of the present invention has an example. It was confirmed that the power generation element (b) was able to obtain a power generation amount of 0.21 μW at a maximum of 2.1 V, and the power generation amount was increased by about 66% as compared with the conventional power generation element (a).
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。 An embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments. Further, the present invention can be carried out in a mode in which various improvements, modifications and modifications are added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
本発明の発電素子は、既存の半導体MEMSプロセスを利用して製作可能であり、小型で軽量な発電素子として産業上の幅広い利用が可能である。 The power generation element of the present invention can be manufactured by using an existing semiconductor MEMS process, and can be widely used in industry as a small and lightweight power generation element.
1 基部(支点部)
2 梁部
3 錘部
20 基板
21、22 電極層
23、26 圧電体
24 応力補償層
25 絶縁層
100 発電素子
1 Base (fulcrum)
2
Claims (5)
梁部は、基板上に積層された2つの電極層で挟まれた圧電体と、上側の電極層の上面及び下側の電極層の下面の少なくとも一方に接する少なくとも1つの応力補償層とを含み、
前記圧電体はScAlNを含み、前記応力補償層はAlNを含む、発電素子。 A power generation element having a cantilever structure including a beam portion and a weight portion.
The beam portion includes a piezoelectric body sandwiched between two electrode layers laminated on the substrate, and at least one stress compensation layer in contact with at least one of the upper surface of the upper electrode layer and the lower surface of the lower electrode layer. See ,
A power generation element in which the piezoelectric body contains ScAlN and the stress compensation layer contains AlN.
梁部は、基板上に積層された2つの電極層で挟まれた圧電体と、圧電体の下面及び上面の少なくとも一方に接する少なくとも1つの応力補償層とを含み、
前記圧電体はScAlNを含み、前記応力補償層はAlNを含む、発電素子。 A power generation element having a cantilever structure including a beam portion and a weight portion.
The beam portion is seen containing a piezoelectric body sandwiched between two electrode layers which are stacked on a substrate, and at least one stress compensation layer in contact with at least one of the lower and upper surfaces of the piezoelectric body,
A power generation element in which the piezoelectric body contains ScAlN and the stress compensation layer contains AlN.
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