JP6994247B2 - 圧電体薄膜、圧電素子および圧電発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体薄膜、圧電素子および圧電発電装置に関する。
従来、センサやアクチュエータ等で利用される圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が広く使用されている。しかし、ＰＺＴは、比誘電率（εγ）が大きいため、性能指数（ＦｏＭ＝ｅ３１
２／ε・εγ；ここで、ｅ３１は圧電応力定数、εは誘電率）が低下することや、有毒物質である鉛（Ｐｂ）を大量に含んでいることから、近年では、ＰＺＴに代わる圧電材料が開発されている。
ＰＺＴに代わる鉛フリーの圧電材料の一つとして、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）が使用されている。ＡｌＮは、電気機械結合係数（ｋ２）が大きく、誘電損失角（δ）が小さく、比誘電率（εγ）が小さい、という優れた圧電特性を有しており、ＰＺＴと同等程度のＦｏＭを有している。
このＡｌＮに対し、Ａｌサイトにドーパントを組み込むことにより、ＦｏＭをさらに向上させる試みが行われている。例えば、圧電定数を向上させるために、ＡｌサイトにＳｃ（スカンジウム）をドープしたものが開発されている（例えば、特許文献１または非特許文献１参照）。しかし、Ｓｃが非常に高価であるため、材料コストが嵩んでしまうという問題があった。
そこで、Ａｌサイトに、Ｓｃよりも安価なＭｇとＨｆとを共ドープしたものが開発されている（例えば、非特許文献２乃至５参照）。特に、ＡｌサイトにＭｇとＨｆとを共ドープした、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜において、ｘの増加に従ってＦｏＭが増大し、ｘ＝０．１２のとき、ＡｌＮの３倍のＦｏＭが得られることが、本発明者等により確認されている（例えば、非特許文献６参照）。
M. Akiyama, T. Kamohara, K. Kano, A. Teshigahara, Y. Takeuchi, N. Kawahara, "Enhancement of Piezoelectric Response in Scandium Aluminum Nitride Alloy Thin Films Prepared by Dual Reactive Cosputtering", Adv. Mater., 2009, Vol. 21, 5, p.593-596
Nguyen H H, Oguchi H, Minh L V and Kuwano H, " High-Throughput Investigation of a Lead-Free AlN-Based Piezoelectric Material, (Mg,Hf)xAl1-xN", ACS Comb. Sci., 2017, 19, p.365-369
Nguyen H H, Oguchi H and Kuwano H, "Combinatorial approach to MgHf co-doped AlN thin films for Vibrational Energy Harvesters", J. Phys.: Conf. Ser., 2016, 773 012075
Y. Iwazaki, T. Yokoyama, T. Nishihara, and M. Ueda, "Highly enhanced piezoelectric property of co-doped AlN", Appl. Phys. Express, 2015, 8, 061501
小形曜一郎、横山剛、岩崎誉志紀、西原時弘、「Mg/Hf同時ドープAlNの置換サイト解析」、立命館大学 総合科学技術研究機構、［平成30年3月8日検索］、インターネット〈URL: http://www.ritsumei.ac.jp/acd/re/src/report/platform/R1515.pdf〉
H. H. Nguyen, L. Van Minh, H. Oguchi and H. Kuwano, "High figure of merit (MgHf)xAl1-xN thin films for miniaturizing vibrational energy harvesters", Proceedings of PowerMEMS 2017, 2017, W3A.1
ＡｌＮに対し、ＡｌサイトにＭｇとＨｆとを共ドープした圧電材料は、非特許文献６に記載のように、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜において、ｘ＝０．１２のとき、ＦｏＭが非常に大きくなることが確認されている。そこで、ＦｏＭをさらに高めるために、ｘを大きくすることが考えられるが、ｘを０．１２より大きくした場合については確認されていない。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より優れた性能指数（ＦｏＭ）を有する圧電体薄膜、圧電素子および圧電発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電体薄膜は、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮの薄膜から成り、ｘは０．３以上０．４４以下であることを特徴とする。
本発明に係る圧電体薄膜は、ＭｇとＨｆとをＡｌサイトに共ドープするときの割合ｘが０．１２よりも大きく、ｘ＝０．１２のものよりも優れた性能指数（ＦｏＭ）を有している。なお、本発明に係る圧電体薄膜は、Ｆｅ等の不可避不純物を含んでいてもよい。
本発明に係る圧電体薄膜は、ｘが大きくなるに従って、ＦｏＭの値も大きくなっていくが、ｘが０．２５付近からはＦｏＭの増加率が徐々に小さくなっていく。さらに、ｘが０．３より大きくなると、ＦｏＭの値が飽和状態に近づいていき、ｘが０．４～０．５の間でＦｏＭが飽和すると考えられる。ｘが０．５より大きくなると、ＦｏＭの値が低下していくと考えられる。
本発明に係る圧電素子は、Ｐｔ／Ｔｉから成る第１の電極と、前記第１の電極の表面に設けられた本発明に係る圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の前記第１の電極とは反対側の面に設けられた第２の電極とを、有することを特徴とする。
本発明に係る圧電発電装置は、本発明に係る圧電素子を有し、その圧電素子の振動により発電可能に構成されていることを特徴とする。
本発明に係る圧電発電装置は、本発明に係る圧電体薄膜を有しているため、優れた正規化出力密度（ＮＰＤ）が得られる。
本発明に係る圧電発電装置は、本発明に係る圧電体薄膜を有しているため、優れた正規化出力密度（ＮＰＤ）が得られる。
本発明によれば、より優れた性能指数（ＦｏＭ）を有する圧電体薄膜、圧電素子および圧電発電装置を提供することができる。
以下、図面および実施例に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態の圧電体薄膜は、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮの薄膜から成り、ｘは０．１５以上０．５以下である。ｘは、０．２５より大きく０．５以下であることが好ましく、０．３以上０．５以下であることがより好ましい。本発明の実施の形態の圧電体薄膜は、Ｆｅ等の不可避不純物を含んでいてもよい。
本発明の実施の形態の圧電体薄膜は、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮの薄膜から成り、ｘは０．１５以上０．５以下である。ｘは、０．２５より大きく０．５以下であることが好ましく、０．３以上０．５以下であることがより好ましい。本発明の実施の形態の圧電体薄膜は、Ｆｅ等の不可避不純物を含んでいてもよい。
本発明の実施の形態の圧電素子は、Ｐｔ／Ｔｉから成る第１の電極と、第１の電極の表面に設けられた本発明の実施の形態の圧電体薄膜と、その圧電体薄膜の第１の電極とは反対側の面に設けられた第２の電極とを有している。本発明の実施の形態の圧電発電装置は、本発明の実施の形態の圧電素子を有し、その圧電素子の振動により発電可能に構成されている。
以下に、本発明の実施の形態の圧電体薄膜、圧電素子および圧電発電装置について、圧電特性や発電性能等を調べた実施例を示す。
まず、図１に示すように、反応性イオンビームスパッタにより、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜を製造した。スパッタは、２０％Ａｒ－８０％Ｎ２雰囲気中で行い、ＭｇＨｆターゲット１およびＡｌＮターゲット２を用いて、Ｐｔ（100nm）／Ｔｉ（6nm）／ＳＯＩから成る基板（Substrate）３のＰｔ側の表面に、薄膜を成長させた。ＭｇＨｆターゲット１は、Ｍｇ基板１ａの表面に、Ｈｆ片１ｂを付着させたものである。
スパッタでは、第１のスパッタガン（1st ion gun）４から、イオン化したＡｒガスをＭｇＨｆターゲット１に衝突させ、第２のスパッタガン（2nd ion gun）５から、イオン化したＡｒとＮ２の混合ガスをＡｌＮターゲット２に衝突させた。このとき、各ガス圧力を１．５ｍＴｏｒｒとし、基板３の温度を６００℃とした。また、スパッタリングチャンバーのベース圧力を、１×１０－７Ｔｏｒｒ未満とし、ＡｌＮターゲット２およびＭｇＨｆターゲット１に、それぞれ１４０Ｗおよび１００Ｗの高周波電力を印加した。また、第１のスパッタガン４および第２のスパッタガン５から放出された各ガスに、高周波イオンソース（RF-Neutralizer）６から電子（ｅ－）を供給した。
スパッタでは、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜の堆積速度を３００ｎｍ／ｈとし、基板３の一方から他方に向かって、ｘの値が増えるように薄膜を成長させた。こうして形成された（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜は、厚みが約７００ｎｍで、ｘの値が０～０．４４であった。なお、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜のｘの値は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）や二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により求めることができる。また、製造中に、不可避不純物が混入してもよい。また、イオンビームスパッタ以外にも、高周波（ＲＦ）スパッタでも同様にして、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜を製造することができる。
製造された（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜に対して、Ｘ線回折計（Brucker社製「D8 ADVANCE」）を用いて、Ｘ線回折分析を行った。ｘ＝０（pure AlN）、０．０１６、０．０７４、０．１７、０．２４、０．３５、０．４４のときの、Ｘ線回折スペクトルを、図２に示す。図２に示すように、ＡｌＮの（００２）ピークの位置が、ｘ＝０のとき２θ＝３６．０°、ｘ＝０．４４のとき２θ＝３５．０°であり、ｘの増加と共に小さくなっていくことが確認された。また、ＭｇおよびＨｆのピークが認められないことも確認された。これは、ＭｇおよびＨｆが、ＡｌＮの格子の中に入り込んでいるためであると考えられる。また、ＡｌＮの（００２）のピーク形状は、ｘの値に関わらず、ほとんど変化しないことも確認された。
次に、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜に対して、Ｘ線回折計（Brucker社製「D8 ADVANCE」）を用いて、さまざまなｘの値での、ｃ軸およびａ軸の長さ（axis length）を求めた。ｃ軸およびａ軸の長さは、対称配置および非対称配置で、（０００２）および（１０－１２）面上でθ－２θ測定を行って求めた。また、その測定結果から、ｃ／ａ比（c/a ratio；ｃ軸の長さ／ａ軸の長さ）およびＡｌＮの単位格子の体積（unit cell volume）を求めた。それらとｘの値（Fraction x）との関係を、図３（ａ）および（ｂ）に示す。
図３（ａ）に示すように、ｃ軸およびａ軸の長さは、ｘの増加と共に大きくなっており、ｘ＝０から０．４４までに、それぞれ２．６％および７．４％伸びていることが確認された。また、図３（ｂ）に示すように、ｃ／ａ比は、ｘ＝０のとき１．６、ｘ＝０．４４のとき１．５２であり、ｘの増加と共に小さくなっていくことが確認された。ＡｌＮの単位格子の体積は、ｘの増加と共に大きくなっており、ｘ＝０から０．４４までに、１８％大きくなっていることが確認された。
次に、図４に示す装置を用いて、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜の、さまざまなｘの値でのｄ３３（圧電歪定数）を求めた。図４に示すように、測定では、サンプルホルダー（Sample holder）７の上に、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を上にして基板３を置き、薄膜１０の表面にカンチレバー（Cantilever）８の先端を近接させて配置した。この状態で、薄膜１０とカンチレバー８との間に正弦波形の電圧を印加し、薄膜１０の表面とカンチレバー８の先端との間の変位を、レーザードップラー振動計（小野測器社製「ＬＶ－１７１０」）９で測定した。カンチレバー８としては、表面にＰｔがコーティングされているものを用いた。また、印加電圧を０～±２０Ｖｐｐとし、その周波数を１～１０ｋＨｚとした。
ｘ＝０、０．２４、０．４４のときの、測定から得られた薄膜表面でのｄ３３の強度分布を、それぞれ図５（ａ）～（ｃ）に示す。また、さまざまなｘの値でのｄ３３の値を、図５（ｄ）に示す。図５（ａ）～（ｄ）に示すように、ｄ３３の値は、ｘの増加と共に大きくなっていき、ｘ＝０のとき３．８５ｐｍ／Ｖ、ｘ＝０．４４のとき１３．６８ｐｍ／Ｖであり、その間に約３．５倍になっていることが確認された。また、ｄ３３の増加率は、ｘ＝０．２２付近までは大きくなっていくが、ｘが０．２２より大きくなると、徐々に小さくなっていくことが確認された。
（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の圧電特性等の測定を行った。まず、図６に示すように、ＭＥＭＳの加工技術を用いて、カンチレバーを有する圧電素子２０を製造した。すなわち、図１に示す反応性イオンビームスパッタを用い、Ｓｉ層１１ａ／ＳｉＯ２層１１ｂ／Ｓｉ層１１ｃから成るＳＯＩ層１１の上に、下部電極となるＰｔ（100nm）／Ｔｉ（6nm）層１２が形成された矩形状の基板３のＰｔ側の表面に、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を成長させた（図６（ａ）参照）。（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の１つの隅に、Ｐｔ／Ｔｉ層１２まで孔１３をあけ、それ以外の（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の表面に、上部電極となるＡｕ／Ｃｒ層１４を形成する（図６（ｂ）参照）。
次に、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の一つの側縁部をカンチレバー部２１とし、４つの側縁部を残して、Ａｕ／Ｃｒ層１４、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０およびＰｔ／Ｔｉ層１２を、高速原子線（ＦＡＢ）によりエッチングする。このとき、Ａｕ／Ｃｒ層１４については、カンチレバー部２１と、その末端に続く側縁部の一部とを除いてエッチングする。また、カンチレバー部２１の先端と、それに続く側縁部との間も、溝１５を形成するようＳＯＩ層１１までエッチングを行う（図６（ｃ）参照）。引き続き、ＳＯＩ層１１までエッチングした領域の、ＳＯＩ層１１の最上部のＳｉ層１１ａをエッチングする（図６（ｄ）参照）。
次に、カンチレバー部２１の、ＳＯＩ層１１の下部のＳｉＯ２層１１ｂおよびＳｉ層１１ｃをエッチングする。これにより、カンチレバー部２１は、Ａｕ／Ｃｒ層１４、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０、Ｐｔ／Ｔｉ層１２、Ｓｉ層１１ａとなる（図６（ｅ）参照）。図６（ｄ）でＳｉ層１１ａをエッチングした領域の、残りのＳＯＩ層１１の下部のＳｉＯ２層１１ｂおよびＳｉ層１１ｃをエッチングする（図６（ｆ）参照）。こうして、さまざまなｘの値の薄膜１０を使用して、カンチレバー部２１を有する圧電素子２０を製造した。カンチレバー部２１は、幅が２００μｍ、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の厚みが７００ｎｍ、Ｓｉ層１１ａの厚みが４０μｍである。また、幾何学的誤差を避けるため、５００μｍ、１０００μｍ、１５００μｍの３種類の長さのカンチレバー部２１を有する圧電素子２０を製造した。
様々なｘの値について、３種類のカンチレバー部２１を振動させてそれぞれの共振周波数を求め、各共振周波数のズレの量（Frequency shift）からヤング率（Young’s modulus）を求め、その平均値を求めた。カンチレバー部２１の振動には、振動制御装置（旭製作所社製「G-Master APD-200FCG」）を用い、カンチレバー部２１の振動の測定には、レーザードップラー振動計（小野測器社製「ＬＶ－１７１０」）を用いた。ｘの値と、各共振周波数のズレの量の平均値およびヤング率の平均値との関係を、図７に示す。図７に示すように、ヤング率は、ｘ＝０のとき３２３ＧＰａ、ｘ＝０．４４のとき２８５ＧＰａであり、ｘの増加と共に小さくなっていくことが確認された。
次に、長さが１５００μｍのカンチレバー部２１のＰｔ／Ｔｉ層（下部電極）１２とＡｕ／Ｃｒ層（上部電極）１４との間に、１０ｋＨｚで０～±３０Ｖｐｐの電圧を印加し、漏洩電流（leakage current）、比誘電率（εγ）の測定を行った。印加電圧（Applied voltage）と漏洩電流の電流密度（Current density）との関係を図８（ａ）に、ｘの値と比誘電率（εγ）との関係を図８（ｂ）に示す。なお、図８（ｂ）では、左の縦軸を比誘電率（εγ）の値とし、右の縦軸を比誘電率（εγ）に比例する静電容量（Capacitance）の値としている。図８（ａ）に示すように、印加電圧が±３０Ｖのとき、漏洩電流の電流密度が９．６×１０－７Ａ／ｃｍ２であることが確認された。また、図８（ｂ）に示すように、比誘電率（εγ）は、ｘ＝０のとき１０．３Ｃ／ｍ２、ｘ＝０．４４のとき１３．５Ｃ／ｍ２であり、ｘの増加と共に大きくなっていくことが確認された。
次に、長さが１５００μｍのカンチレバー部２１のＰｔ／Ｔｉ層（下部電極）１２とＡｕ／Ｃｒ層（上部電極）１４との間に、１０ｋＨｚで０～±２０Ｖｐｐの電圧を印加し、カンチレバー１２の先端の変位（Displacement）を測定した。さまざまなｘの値について測定された、印加電圧と変位との関係を、図９（ａ）に示す。また、ｘの値と、図９（ａ）の変位から求められた圧電歪定数ｄ３１との関係を、図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）に示すように、ｄ３１の値は、ｘの増加と共に大きくなっていき、ｘ＝０のとき２．２ｐｍ／Ｖ、ｘ＝０．４４のとき６．８ｐｍ／Ｖであり、その間に約３倍になっていることが確認された。また、ｄ３１の増加率は、ｘ＝０．２２付近までは大きいが、ｘが０．２２より大きくなると、徐々に小さくなっていくことが確認された。
次に、長さが１５００μｍ、ｘ＝０．４４のカンチレバー部２１について、Ｐｔ／Ｔｉ層（下部電極）１２とＡｕ／Ｃｒ層（上部電極）１４との間に、１０ｋＨｚで０～±２０Ｖｐｐの電圧を、１０８サイクルまで印加し、所定の振動のサイクル数（Number of cycle）でのカンチレバー部１２の先端の変位を測定した。また、その変位から、各サイクル数での圧電歪定数ｄ３１を求めた。サイクル数と、変位および圧電歪定数ｄ３１との関係を、図１０に示す。図１０に示すように、１０８サイクルまで、変位は約１００ｎｍ、圧電歪定数ｄ３１は６．８ｐｍ／Ｖでほぼ一定であり、ほとんど変化しないことが確認された。このことから、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０は、振動に対する耐久性に優れているといえる。
次に、図９（ａ）および（ｂ）の結果を利用して性能指数（ＦｏＭ）を求め、ｘの値との関係を、図１１に示す。図１１に示すように、ＦｏＭの値は、ｘの増加と共に大きくなっていき、ｘ＝０のとき６．５ＧＰａ、ｘ＝０．４４のとき３１．５ＧＰａであり、その間に約５倍になっていることが確認された。ｘ＝０．４４のときのＦｏＭは、十分に発達したＰＺＴの２．５～３倍程度である。また、ＦｏＭの増加率は、ｘ＝０．１２～０．１５付近までは大きく、ｘ＝０．１５付近からやや小さくなっており、ｘ＝０．２２～０．２５付近からさらに徐々に小さくなっていくことが確認された。ｘ＝０．３より大きくなると、ＦｏＭの値が飽和状態に近づいており、この傾向から、ｘが０．４～０．５の間でＦｏＭが飽和するものと考えられる。
（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を用いて、振動で発電する圧電発電装置３０を製造した。図１２に示すように、ＭＥＭＳの加工技術を用いて、図６と同様の方法により、カンチレバー部２１の先端に錘３１を設けた圧電発電装置３０を製造した。錘３１は、カンチレバー部２１の先端の（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０、Ｐｔ／Ｔｉ層１２、およびＳＯＩ層１１を残すことにより形成した。カンチレバー部２１は、幅が２００μｍ、長さが１０００μｍ、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の厚みが７００ｎｍ、Ｓｉ層１１ａの厚みが４０μｍである。また、カンチレバー部２１のＦｏＭは、３１．５ＧＰａである（図１１参照）。錘３１は、幅が１０００μｍ、長さが６００μｍ、厚みが４００μｍ、重さが０．６ｍｇである。
ｘ＝０．４４の（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を用いた圧電発電装置３０を、振動制御装置（旭製作所社製「G-Master APD-200FCG」）に固定し、様々な周波数で振動させて、カンチレバー部２１のＰｔ／Ｔｉ層（下部電極）１２とＡｕ／Ｃｒ層（上部電極）１４との間の出力電圧を測定した。測定された出力電圧から、各周波数でのインピーダンス（Impedance）および位相（Phase）を求め、図１３（ａ）に示す。また、それらから各周波数での静電容量（Capacitance）および誘電正接（Loss tangent, Dissipation factor）を求め、図１３（ｂ）に示す。図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、圧電発電装置３０の共振周波数は、２４２２Ｈｚであることが確認された。また、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の誘電率が小さいため、インピーダンスが大きくなっていることが確認された。また、共振周波数以外での誘電正接は、約０．０２°であることが確認された。
次に、圧電発電装置３０について、振動の加速度ａ（Acceleration）が３ｍ／ｓ２、負荷抵抗（Load resistance）が１．１ＭΩのときの各振動周波数での出力（Output power）を測定し、図１４に示す。図１４に示すように、共振周波数の２４２２Ｈｚで４２５ｎＷの最高出力が得られることが確認された。
次に、圧電発電装置３０について、振動の加速度ａが３ｍ／ｓ２で、共振周波数２４２２Ｈｚのときの、負荷抵抗と出力との関係を測定し、図１５に示す。図１５に示すように、最適抵抗は１．９ＭΩであり、そのときの最高出力が４６１ｎＷであることが確認された。
次に、圧電発電装置３０について、振動の加速度を２～９ｍ／ｓ２とし、負荷抵抗が１．９ＭΩのときの各振動周波数での出力を測定し、図１６に示す。図１６に示すように、加速度が９ｍ／ｓ２のとき、共振周波数（Ｆｒ）の２４２２Ｈｚで３．７４μＷの最高出力が得られることが確認された。
また、様々なｘの値を有する（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を用いた圧電発電装置３０について、最高出力が得られる加速度９ｍ／ｓ２、共振周波数２４２２Ｈｚでの出力を測定し、正規化出力密度（ＮＰＤ；Normalized Power Density）、および振動のＱ値（Q-factor）を求めた。ＮＰＤは、（１）式により求めることができる。
ＮＰＤ ＝ （出力／加速度の２乗）×（１／錘の体積） （１）
ＮＰＤ ＝ （出力／加速度の２乗）×（１／錘の体積） （１）
ｘの値と、求められたＮＰＤの値およびＱ値との関係を、図１７に示す。図１７に示すように、ＮＰＤの値は、ｘの増加と共に大きくなっていき、ｘ＝０．４４のとき１８．４２ｍＷｃｍ３ｇ－２であることが確認された。ＮＰＤの増加率は、ｘ＝０．２２付近までは大きいが、ｘが０．２２より大きくなると、徐々に小さくなっていき、０．３より大きくなると、ＮＰＤがほとんど飽和していることが確認された。また、Ｑ値は、ｘの増加と共にゆっくりと小さくなっていき、ｘ＝０．４４のとき５１０であることが確認された。
図１８に示すように、図１２に示す圧電発電装置３０の錘３１の上に、直方体のタングステン（Ｗ）製の錘３２を載せた圧電発電装置を製造した。錘３１と錘３２とを合わせた全体の錘は、幅が１０００μｍ、長さが６００μｍ、厚みが１１４４μｍ、重さが６．３ｍｇである。なお、カンチレバー部２１は、幅が２００μｍ、長さが１０００μｍ、（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０の厚みが７００ｎｍ、Ｓｉ層１１ａの厚みが４０μｍである。また、カンチレバー部２１のＦｏＭは、３１．５ＧＰａである（図１１参照）。
ｘ＝０．４４の（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を用いた圧電発電装置を、振動制御装置（旭製作所社製「G-Master APD-200FCG」）に固定し、様々な周波数で振動させて、カンチレバー部２１のＰｔ／Ｔｉ層（下部電極）１２とＡｕ／Ｃｒ層（上部電極）１４との間の出力電圧を測定した。測定された出力電圧から、各周波数でのインピーダンス（Impedance）および位相（Phase）を求め、図１９に示す。図１９に示すように、圧電発電装置の共振周波数は、９０８Ｈｚであることが確認された。
次に、この圧電発電装置について、振動の加速度（Acceleration）を１～５ｍ／ｓ２とし、負荷抵抗（Load resistance）が３．７ＭΩのときの各振動周波数での出力（Output power）を測定し、図２０に示す。図２０に示すように、加速度ａが５ｍ／ｓ２のとき、共振周波数（Ｆｒ）の９０８Ｈｚで１０．２８μＷの最高出力が得られることが確認された。
また、様々なｘの値を有する（ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜１０を用いた圧電発電装置について、最高出力が得られる加速度５ｍ／ｓ２、共振周波数９０８Ｈｚでの出力を測定し、（１）式から正規化出力密度（ＮＰＤ）を求めた。また、振動のＱ値も求めた。ｘの値と、求められたＮＰＤの値およびＱ値との関係を、図２１に示す。図２１に示すように、ＮＰＤの値は、ｘの増加と共に大きくなっていき、ｘ＝０．４４のとき６１．９ｍＷｃｍ３ｇ－２であることが確認された。ＮＰＤの増加率は、ｘ＝０．２２付近までは大きいが、ｘが０．２２より大きくなると、徐々に小さくなっていき、０．３より大きくなると、ＮＰＤがほとんど飽和していることが確認された。また、Ｑ値は、ｘの増加と共にゆっくりと小さくなっていき、ｘ＝０．４４のとき４７０であることが確認された。
１ ＭｇＨｆターゲット
１ａ Ｍｇ基板
１ｂ Ｈｆ片
２ ＡｌＮターゲット
３ 基板
４ 第１のスパッタガン
５ 第２のスパッタガン
６ 高周波イオンソース
７ サンプルホルダー
８ カンチレバー
９ レーザードップラー振動計
１０ （ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜（薄膜）
１１ ＳＯＩ層
１１ａ Ｓｉ層
１１ｂ ＳｉＯ２層
１１ｃ Ｓｉ層
１２ Ｐｔ／Ｔｉ層
１３ 孔
１４ Ａｕ／Ｃｒ層
１５ 溝
２０ 圧電素子
２１ カンチレバー部
３０ 圧電発電装置
３１、３２ 錘
１ａ Ｍｇ基板
１ｂ Ｈｆ片
２ ＡｌＮターゲット
３ 基板
４ 第１のスパッタガン
５ 第２のスパッタガン
６ 高周波イオンソース
７ サンプルホルダー
８ カンチレバー
９ レーザードップラー振動計
１０ （ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮ薄膜（薄膜）
１１ ＳＯＩ層
１１ａ Ｓｉ層
１１ｂ ＳｉＯ２層
１１ｃ Ｓｉ層
１２ Ｐｔ／Ｔｉ層
１３ 孔
１４ Ａｕ／Ｃｒ層
１５ 溝
２０ 圧電素子
２１ カンチレバー部
３０ 圧電発電装置
３１、３２ 錘
Claims (3)
- （ＭｇＨｆ）ｘＡｌ１－ｘＮの薄膜から成り、ｘは０．３以上０．４４以下であることを特徴とする圧電体薄膜。
- Ｐｔ／Ｔｉから成る第１の電極と、
前記第１の電極の表面に設けられた請求項１記載の圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の前記第１の電極とは反対側の面に設けられた第２の電極とを、
有することを特徴とする圧電素子。 - 請求項２記載の圧電素子を有し、その圧電素子の振動により発電可能に構成されていることを特徴とする圧電発電装置。
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Non-Patent Citations (1)
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| HUNG H. NGUYEN，High-Throughput Investigation of a Lead-Free AlN-Based Piezoelectric Material, (Mg,Hf)xAl1-xN，ACS Combinatorial Science，2017年，Vol.19 No.6，p.365-369 |
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