JP7037144B2

JP7037144B2 - Ｍｅｍｓ振動素子の製造方法およびｍｅｍｓ振動素子

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Publication number: JP7037144B2
Application number: JP2017154474A
Authority: JP
Inventors: 原橋口; 英明古賀
Original assignee: Shizuoka University NUC; Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Shizuoka University NUC; Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2022-03-16
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: WO2019031565A1; CN111051236A; JP2019033630A; CN111051236B; US20210376767A1; US11527968B2

Description

本発明は、ＭＥＭＳ振動素子の製造方法およびＭＥＭＳ振動素子に関する。

環境振動からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動素子である振動発電素子を用いて環境振動から発電を行う手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。環境振動は様々な周波数帯を含んでいるが、振動発電を効果的に行うためには、振動発電素子の共振周波数を卓越周波数に合わせる必要がある。

振動発電素子では可動電極をカンチレバーのような弾性支持部で支持し、可動電極が固定電極に対して振動することで発電を行っている。振動発電素子の共振周波数は弾性支持部のばね定数に依存しているので、共振周波数を卓越周波数に合わせるためには弾性支持部の太さや長さ等を調整する必要がある。

特開２０１３－１７２５２３号公報

ところで、卓越周波数は振動検出対象である環境に応じてそれぞれ異なっており、従来の振動発電素子では対象環境に応じて弾性支持部の太さや長さ等を再設計しているので、種々の卓越周波数に容易に対応できず、対応にコストや手間がかかるという問題があった。

本発明の第１の態様によるＭＥＭＳ振動素子の製造方法は、固定電極と、可動電極と、前記可動電極を前記固定電極に対して弾性支持する弾性支持部とを有するＭＥＭＳ振動素子の製造法において、第１の厚さの基材をエッチング加工して、前記固定電極および前記可動電極を形成することと、前記基材をエッチング加工して、前記弾性支持部を前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さに形成することとを含む。
本発明の第２の態様によるＭＥＭＳ振動素子は、基材に形成される固定電極と、前記基材に形成される可動電極と、前記基材に形成され、前記可動電極を前記固定電極に対して弾性支持する弾性支持部とを備え、前記弾性支持部の少なくとも一部は、基材厚さ方向の寸法が、前記固定電極および前記可動電極の基材厚さ方向の寸法よりも小さい。

本発明によれば、種々の環境振動に対応したＭＥＭＳ振動素子を容易に製造することができる。

図１は、振動発電素子の概略構成を示す模式図である。図２は、振動発電素子の一部を示す斜視図である。図３は、振動発電素子の形成方法を説明する図である。図４は、図３に続く形成手順を説明する図である。図５は、図４に続く形成手順を説明する図である。図６は、振動発電素子の形成方法の他の例を説明する図である。図７は、図６に続く形成手順を説明する図である。図８は、変形例１を示す図である。図９は、変形例２を示す図である。図１０は、変形例３を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ振動素子の一例を示したものであり、振動発電素子１に適用した場合の概略構成を示す平面図である。また、図２は、図１の符号Ａで示した部分の斜視図である。

なお、本実施の形態のＭＥＭＳ振動素子は、振動発電素子１に限らず、マイクロフォン等にも適用することができる。

振動発電素子１は、ベース２、固定電極３、可動電極４、弾性支持部５を備えている。振動発電素子１には、負荷６が接続されている。本実施の形態では、図１，２に示すように、固定電極３および可動電極４はそれぞれ櫛歯構造を有している。固定電極３には複数の櫛歯３０が形成され、可動電極４には複数の櫛歯４０が形成されている。固定電極３と可動電極４とは、櫛歯３０と櫛歯４０とが互いに隙間を介して歯合するように配置されている。

このように、固定電極３は固定櫛歯電極を構成し、可動電極４は可動櫛歯電極を構成している。櫛歯電極とは、図１の固定電極３や可動電極４のように、複数の櫛歯を並列配置したものである。なお、本発明における櫛歯の本数は、図１に示したものに限定されない。

本実施の形態の振動発電素子１は、シリコン基板やＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて一般的なＭＥＭＳ加工技術により形成される。図１，２に示す例では、ＳＯＩ基板により振動発電素子１を形成しているが、シリコン基板を用いた場合も同様に形成することができる。シリコン基板を用いる場合、例えば、導電率の小さな真性のシリコン基板の表面から所定厚さの領域にドーピングによりＰ型またはＮ型の導電層を形成し、導電層の下部の真性なシリコン層にベース２を形成し、導電層に固定電極３、可動電極４、弾性支持部５を形成すれば良い。

図２に示すように、ＳＯＩ基板はＳｉのハンドル層１００、ＳｉＯ_２のＢＯＸ層１０１、Ｓｉのデバイス層１０２から成り、ベース２はハンドル層１００により形成され、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５はデバイス層１０２により形成される。弾性支持部５の一端は、弾性支持部５の図示右側に設けられた固定部５０によってベース２に固定されている。弾性支持部５の図示左側先端には可動電極４を構成する櫛歯４０が設けられている。

櫛歯３０と櫛歯４０の少なくとも一方には対向面の表面近傍にエレクトレットが形成されている。すなわち、固定電極３および可動電極４の少なくとも一方が帯電されている。振動発電素子１に外部から振動が加わると、弾性支持部５がｚ方向に撓んで可動電極４が矢印Ｒで示すようにｚ方向に振動する。その結果、固定電極３と可動電極４との対向面積が変化し、固定電極３と可動電極４との間の静電容量が変化する。このこととエレクトレットの誘導電荷とにより、固定電極３と可動電極４との間の電圧が変化して起電力が発生することで、振動発電素子１の発電が行われる。

図１に示すように、負荷６は、導線７ａにより固定電極３に設けられたパッド８ａに接続されると共に、導線７ｂにより弾性支持部５の固定部５０に設けられたパッド８ｂに接続されている。パッド８ｂは弾性支持部５を介して可動電極４と電気的に接続されている。振動発電素子１の発電によって得られた起電力は負荷６に印加され、負荷６が駆動される。

図１，２に示す振動発電素子１における共振周波数ｆ[Ｈｚ]は、弾性支持部５のばね定数ｋおよび可動電極４の質量ｍ[ｋｇ]とすると次式（１）で表される。ばね定数ｋは、弾性支持部５のｚ方向の厚さをｔ[ｍ]、支点から荷重点までの距離（すなわち、弾性支持部５のｘ方向の長さ）をＬ[ｍ]、幅寸法（すなわち、弾性支持部５のｙ方向の幅寸法）をｂ[ｍ]、ヤング率をＥ[Ｐａ]とすると、次式（２）で表される。なお、可動電極４の質量が式（１）で必要とされる質量ｍに足らない場合には、質量調整用のおもりが可動電極４に付加される。
ｆ＝（１／２π）√（ｋ／ｍ） …（１）
ｋ＝（Ｅｂ／４Ｌ^３）ｔ^３ …（２）

（振動発電素子１の形成方法）
次に、図３～５を参照して、振動発電素子１の形成方法の一例について説明する。ここでは、ＳＯＩ基板を用いて形成する場合について説明するが、シリコン基板を用いた場合も同様に形成することができる。なお、図３において、図示上段の図は平面図であって、図示下段の図はＢ－Ｂ断面図を示す。また、図４，５において、図示上段の図は平面図であって、図示中段の図はＣ－Ｃ断面図で、図示下側の図はＤ－Ｄ断面図である。

図３（ａ）に示す第１のステップでは、ハンドル層１００，ＢＯＸ層１０１およびデバイス層１０２から成るＳＯＩ基板の、デバイス層１０２の表面にアルミ（Ａｌ）層１１０を真空蒸着等により形成する。

図３（ｂ）に示す第２のステップでは、フォトマスクを用いたフォトリソ加工によりレジストパターン１１１を形成する。レジストパターン１１１には、弾性支持部５の平面形状に相当する矩形穴１１１ａが形成されている。

図３（ｃ）に示す第３のステップでは、レジストパターン１１１をマスクとしてアルミ層１１０のエッチングを行う。これにより、矩形穴１１１ａの領域にデバイス層１０２が露出することになる。

図４（ａ）に示す第４のステップでは、図３（ｃ）に示したレジストパターン１１１を除去した後に、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５の平面形状に相当するレジストパターン１１２が形成される。なお、第３のステップでアルミ層１１０に形成された矩形穴は、レジストパターン１１２によって覆われる。

図４（ｂ）に示す第５のステップでは、レジストパターン１１２をマスクとしてアルミ層１１０をエッチングする。その結果、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５に相当する領域を除く隙間部分に相当する領域のアルミ層１１０が除去され、除去された領域にデバイス層１０２が露出することになる。

図４（ｃ）に示す第６のステップでは、レジストパターン１１２をマスクとして、デバイス層１０２をＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）加工する。エッチング加工はＢＯＸ層１０１に達するまで行われる。このエッチング加工により、デバイス層１０２に固定電極３および可動電極４が形成される。

図５（ａ）に示す第７のステップでは、図４（ｃ）に示したレジストパターン１１２を除去する。その結果、弾性支持部５を形成すべき領域のデバイス層１０２が露出する。

図５（ｂ）に示す第８のステップでは、アルミ層１１０をマスクとして、デバイス層１０２を所定の深さまでＤＲＩＥ加工する。このエッチング加工により、デバイス層１０２に所定厚さｔ２の弾性支持部５が形成される。

図５（ｃ）に示す第９のステップでは、ハンドル層１００の表面に矩形枠形状のエッチングマスクとしてのアルミパターン（不図示）を形成し、ハンドル層１００をＤＲＩＥ加工することにより矩形枠形状のベース２を形成する。その後、アルミ層１１０を除去する。なお、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５の下面側に露出するＢＯＸ層（ＳｉＯ_２層）は、強フッ酸により除去する。

その後、パッド８ａ，８ｂを形成した後に、公知の帯電処理（例えば、特開２０１４－０４９５５７号公報に記載の帯電処理）を施すことによって櫛歯３０，４０の少なくとも一方にエレクトレットを形成することで、振動発電素子１が形成される。

（他の形成方法）
図６，７は、振動発電素子１の形成方法の他の例を説明する図である。図３～５で説明した形成方法では、固定電極３および可動電極４を形成した後に弾性支持部５を形成したが、図６，７に示す形成方法では、弾性支持部５を形成した後に固定電極３および可動電極４を形成するようにした。

図６（ａ）に示す第１のステップでは、ＳＯＩ基板のデバイス層１０２の表面に、フォトマスクを用いたフォトリソ加工によりレジストパターン１２０を形成する。レジストパターン１２０には、弾性支持部５の平面形状に相当する矩形穴１２０ａが形成されている。矩形穴１２０ａからはデバイス層１０２が露出している。

図６（ｂ）に示す第２のステップでは、レジストパターン１２０をマスクとしてデバイス層１０２を所定の深さまでＤＲＩＥ加工する。このエッチング加工により、デバイス層１０２に所定厚さｔ２の弾性支持部５が形成される。

図６（ｃ）に示す第３のステップでは、図６（ｂ）に示すレジストパターン１２０を除去した後に、真空蒸着等によりアルミ層１２１を形成する。

図７（ａ）に示す第４のステップでは、アルミ層１２１の上面に、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５の平面形状に相当するレジストパターン１２２が形成される。レジストパターン１２２の、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５に相当する領域を除く隙間部分に相当する領域には、アルミ層１１０が露出している。

図７（ｂ）に示す第５のステップでは、レジストパターン１２２をマスクとしてアルミ層１２１をエッチングする。その結果、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５に相当する領域を除く隙間部分に相当する領域のアルミ層１１０が除去され、除去された領域にデバイス層１０２が露出することになる。

図７（ｃ）に示す第６のステップでは、レジストパターン１２２およびアルミ層１２１をマスクとしてデバイス層１０２をＤＲＩＥ加工する。エッチング加工はＢＯＸ層１０１に達するまで行われる。このエッチング加工により、デバイス層１０２に固定電極３および可動電極４が形成される。

図示は省略したが、第６のステップに続く次のステップでは、図５（ｃ）に示す場合と同様にエッチング加工によりハンドル層１００にベース２を形成し、その後、アルミ層１２１およびレジストパターン１２２を除去する。その後、パッド８ａ，８ｂを形成した後に、公知の帯電処理（例えば、特開２０１４－０４９５５７号公報に記載の帯電処理）を施すことによって櫛歯３０，４０の少なくとも一方にエレクトレットを形成することで、振動発電素子１が形成される。

なお、図７（ｃ）に示すステップでは、レジストパターン１２２およびアルミ層１２１をエッチングのマスクとして用いているが、アルミ層１２１を省略してレジストパターン１２２のみをマスクとしても良い。しかしながら、弾性支持部５の部分のような凹凸構造がある場合、凹部も含めてレジストを均一に塗布するのは難しい。一方、アルミ蒸着でアルミ層１２１を形成する場合には、図６（ｃ）に示すように均一にアルミ層１２１を形成することができる。そのため、図７（ｃ）に示すデバイス層１０２のエッチングを不安なく正確に行うためには、図７（ｃ）に示すように、レジストパターン１２２およびアルミ層１２１をエッチングマスクとして用いているのが好ましい。

上述したように、ＭＥＭＳ振動素子である本実施形態の振動発電素子１では、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５は同一の基材であるデバイス層１０２により形成される。そして、弾性支持部５の厚さ（すなわち、デバイス層１０２の厚さ方向の寸法）は、固定電極３および可動電極４の厚さよりも薄く形成される。

振動発電素子１の発電出力を大きくするためには固定電極３および可動電極４の面積をより大きくする必要があり、そのためには固定電極３および可動電極４の厚さｔ１は大きい程よい。一方、環境振動においては数十Ｈｚと低い卓越周波数を有する場合がある。そのような場合には、弾性支持部５の厚さｔ２を小さくして共振周波数を下げる必要がある。すなわち、厚さｔ１、ｔ２を上述のような構成とし、エッチング深さを制御することにより厚さｔ２を調整することで、種々の卓越周波数に対して容易に対応することが可能となる。

また、本実施の形態と異なり、固定電極３および可動電極４と弾性支持部５とをエッチング加工により同時に加工する場合には、それらは同一のエッチングレートでエッチングされるので、固定電極３、可動電極４および弾性支持部５の厚さ寸法は同一になる。そのため、振動発電素子１の共振周波数を環境振動の卓越周波数に合わせるためには、弾性支持部５の幅寸法（図１の寸法ｂ）や長さ寸法（図２の寸法Ｌ）を調整することになる。その結果、卓越周波数が異なるたびに弾性支持部５を形成するためのマスクを作り直す必要があり、コストや手間がかかってしまうという問題がある。

一方、本実施の形態では、図２に示すように弾性支持部５の厚さｔ２を、可動電極４の厚さ寸法ｔ１よりも小さく設定する構成としているので、固定電極３および可動電極４のエッチング加工と弾性支持部５のエッチング加工とを個別に行うことになる。その結果、隙間の狭い櫛歯構造の固定電極３および可動電極４と、比較的エッチング面積の広い弾性支持部５とを、それぞれに適したエッチング条件でエッチングを行うことが可能となり、弾性支持部５の厚さ調整を容易に行うことができる。

すなわち、上述した製造方法のように、基材であるデバイス層１０２をエッチング加工して、固定電極３および可動電極４を厚さｔ１に形成することと、デバイス層１０２をエッチング加工して、弾性支持部５を厚さｔ１よりも薄い厚さｔ２に形成することとで、弾性支持部５を所望の厚さに精度よく形成することができる。そのため、マスク等を作り直さなくても、弾性支持部５の厚さｔ２を調整するだけで種々の卓越周波数に対応することができる。

特に、上述した実施形態のように、固定電極３および可動電極４が櫛歯構造の電極の場合、櫛歯３０と櫛歯４０との隙間は、弾性支持部５の周囲の隙間に比べて狭い。このように条件の大きく異なる固定電極３および可動電極４のエッチング加工と弾性支持部５のエッチング加工とを個別に行うことで、それぞれに適した加工条件でエッチングを行うことができる。

また、厚さ寸法ｔ１の大きな固定電極３および可動電極４を形成した後に、厚さｔ２の小さな弾性支持部５を形成するのが好ましい。例えば、固定電極３および可動電極４の貫通部分における貫通状態が不十分な状態でエッチングを終了した場合でも、その後の弾性支持部５のエッチング加工を行った際に貫通部分の貫通状態が改善されるという効果が期待できる。

（変形例１）
上述した実施形態では、弾性支持部５は片持ち梁構造で、櫛歯４０が櫛歯３０に対してｚ方向に振動する構成としたが、図８に示す変形例１のように可動電極４を一対の弾性支持部２００により支持する構成としてもよい。図８に示す例では、可動電極４を弾性支持する弾性支持部２００は矢印Ｒ２で示すｘ方向に撓むように変形し、ｘ方向に振動する。弾性支持部２００の厚さ（ｚ方向の寸法）はｔ２に設定され、固定電極３および可動電極４の厚さはｔ１（＞ｔ２）に設定されている。このようにｘ方向に振動する場合、前述した式（２）の寸法ｔは弾性支持部２００のｘ方向の寸法が対応し、寸法ｂは弾性支持部２００のｚ方向の寸法が対応する。この場合も、弾性支持部２００のｚ方向の寸法を調整することで、振動発電素子１の共振周波数を調整することができる。

（変形例２）
また、固定電極３および可動電極４の形態としては上述したような櫛歯構造に限らず、例えば、図９に示す変形例２のような平行平板型の電極構造であっても良い。この場合も、弾性支持部２００の厚さｔ２は、固定電極３および可動電極４の厚さｔ１に対してｔ２＜ｔ１のように設定される。可動電極４はｘ方向に振動することで固定電極３と可動電極４とのギャップ寸法ｇが変化し、それによって発電が行われる。

（変形例３）
さらに、図１０に示す変形例３のように、弾性支持部５を、厚さｔ２の変形部５１と厚さｔ１の電極接続部５２とで構成するようにしても良い。

ところで、前述した式（１）、（２）から分かるように、弾性支持部５の厚さｔ２の部分の長さＬは、長ければ長いほど共振周波数ｆが低くなる。また、長さＬが短いと、同じ共振周波数を得るためには厚さｔ２をより薄くする必要があり、弾性支持部５の機械的強度が低下することになる。さらに、長さＬが長い方が振動の振幅を大きく取れるという利点がある。すなわち、弾性支持部５の弾性支持部延在方向に沿った長さＬは長い方が好ましい。例えば、厚さｔ２の部分の長さＬを、可動電極４の櫛歯４０の長さＬ４よりも大きく設定するのが良い。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…振動発電素子、３…固定電極、４…可動電極、５，２００…弾性支持部、３０，４０…櫛歯、５１…変形部、１０２…デバイス層

Claims

固定電極と、可動電極と、前記可動電極を前記固定電極に対して弾性支持する弾性支持部とを有するＭＥＭＳ振動素子の製造方法において、
第１の厚さの基材をエッチング加工して、前記固定電極および前記可動電極を形成することと、
前記基材をエッチング加工して、前記弾性支持部を前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さに形成することとを含み
前記弾性支持部の第２の厚さ部分の延伸方向の長さは前記可動電極の延伸方向の長さよりも大きい、ＭＥＭＳ振動素子の製造方法。
請求項１に記載のＭＥＭＳ振動素子の製造方法において、
前記固定電極および前記可動電極を形成した後に前記弾性支持部を形成する、ＭＥＭＳ振動素子の製造方法。
請求項１または２に記載のＭＥＭＳ振動素子の製造方法において、
前記固定電極および前記可動電極は櫛歯構造の電極である、ＭＥＭＳ振動素子の製造方法。
基材に形成される固定電極と、
前記基材に形成される可動電極と、
前記基材に形成され、前記可動電極を前記固定電極に対して弾性支持する弾性支持部とを備え、
前記弾性支持部の少なくとも一部は、基材厚さ方向の寸法が、前記固定電極および前記可動電極の基材厚さ方向の寸法よりも小さく、
前記弾性支持部の基材厚さ方向の寸法が前記固定電極および前記可動電極の基材厚さ方法の寸法より小さい部分の延伸方向の長さは、前記可動電極の延伸方向の長さより大きい、ＭＥＭＳ振動素子。
請求項４に記載のＭＥＭＳ振動素子において、
前記固定電極および前記可動電極は櫛歯構造の電極である、ＭＥＭＳ振動素子。
請求項５に記載のＭＥＭＳ振動素子において、
前記弾性支持部の前記一部の弾性支持部延在方向に沿った長さ寸法は、前記可動電極の櫛歯の長さ寸法よりも大きい、ＭＥＭＳ振動素子。