JP7217507B2 - power generator, energy harvesting device - Google Patents

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本発明の実施形態は、発電装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to power generators.

光、熱、振動などの再生可能エネルギー(環境エネルギーともいう)を有効活用するために、環境発電素子(エネルギーハーベスト素子とも称される)の開発が進められている。 In order to make effective use of renewable energy (also called environmental energy) such as light, heat, and vibration, energy harvesting elements (also called energy harvesting elements) are being developed.

環境発電素子のひとつとして、環境振動により発電する振動発電装置がある。図1は、従来のエレクトレット発電装置を備える発電システムのブロック図である。エレクトレット発電装置10は、エレクトレット電極12と、対向する金属電極14のペアで構成される。エレクトレット電極12は、強い誘電性を有する絶縁体に電界を印加し、その結果生ずる恒久的あるいは半恒久的な電気分極により帯電が保たれる物質である。エレクトレット電極12と金属電極14は相対的に変位可能である。図1では、エレクトレット電極12が固定電極、金属電極14が可動電極であり、金属電極14にはバネ16が取り付けられ、図中、矢印の方向に振動可能となっている。 As one of the energy harvesting elements, there is a vibration power generating device that generates power by environmental vibration. FIG. 1 is a block diagram of a power generation system including a conventional electret power generation device. The electret power generation device 10 is composed of a pair of electret electrodes 12 and opposing metal electrodes 14 . The electret electrode 12 is a material that is kept charged by the permanent or semi-permanent electric polarization that results from the application of an electric field to an insulator having strong dielectric properties. The electret electrode 12 and the metal electrode 14 are relatively displaceable. In FIG. 1, the electret electrode 12 is a fixed electrode and the metal electrode 14 is a movable electrode. A spring 16 is attached to the metal electrode 14 so that it can vibrate in the direction of the arrow in the drawing.

エレクトレット電極12と金属電極14が正対していると、静電誘導により金属電極14にエレクトレット電極12と同量の逆極性の誘導電荷が蓄えられる。振動によって、エレクトレット電極12と金属電極14のオーバーラップ面積が変化すると、それに応じた電気信号を外部に取り出すことができる。 When the electret electrode 12 and the metal electrode 14 face each other, the metal electrode 14 accumulates the same amount of induced charge of opposite polarity as that of the electret electrode 12 due to electrostatic induction. When the overlap area between the electret electrode 12 and the metal electrode 14 changes due to vibration, an electric signal corresponding to the change can be output to the outside.

電源管理回路20は、エレクトレット発電装置10から出力される電荷を整流、平滑化し、負荷30に供給する。 The power management circuit 20 rectifies and smoothes the electric charge output from the electret power generation device 10 and supplies it to the load 30 .

D. Yamane et. al., "Design of sub-1g microelectromechanical systems accelerometers"、Applied Physics Letters 104, 074102 (2014)D. Yamane et. al., "Design of sub-1g microelectromechanical systems accelerometers", Applied Physics Letters 104, 074102 (2014)

本発明者らは従来のエレクトレット発電装置10について検討した結果、いくつかの課題を認識するに至った。 As a result of examining the conventional electret power generation device 10, the inventors came to recognize several problems.

図1のエレクトレット発電装置10の最大発電出力は、固定電極であるエレクトレットの表面電荷密度の2乗に比例する。表面電荷密度を高めるには、エレクトレットの材料、形成方法、帯電方法を最適化するなどのアプローチを取りうる。 The maximum power generation output of the electret power generation device 10 of FIG. 1 is proportional to the square of the surface charge density of the electret, which is the fixed electrode. To increase the surface charge density, approaches such as optimizing electret materials, forming methods, and charging methods can be taken.

ところが、エレクトレット発電装置10の可動電極をMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術で作成する場合、エレクトレットの製造プロセスとMEMS構造作成プロセスが混在することになり、エレクトレットの材料選択、製造方法、帯電方法がMEMS構造によって制約され、固定電荷密度を高めることが難しい場合もある。また、エレクトレットの製膜後に、それを帯電させる工程において、高電圧を印加する必要があり、MEMS構造も、このような高電圧に耐えうるものとしなければならず、設計に少なからず制約が生ずる。 However, when the movable electrode of the electret power generation device 10 is created by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, the electret manufacturing process and the MEMS structure creating process are mixed, and the electret material selection, manufacturing method, and charging method are required. Constrained by the MEMS structure, it may be difficult to increase the fixed charge density. In addition, it is necessary to apply a high voltage in the step of charging the electret after forming the film, and the MEMS structure must also be able to withstand such a high voltage, which imposes considerable restrictions on design. .

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来のエレクトレット発電装置の問題の少なくともひとつを解決可能な発電装置の提供にある。 The present invention has been made in this context, and one exemplary object of some aspects thereof is to provide a power generator that can solve at least one of the problems of conventional electret power generators.

本発明のある態様は発電装置に関する。発電装置は、エレクトレットと、エレクトレットを支持し、または対向配置される第1電極と、第1電極と電気的に接続される第2電極と、第2電極と対向配置される第3電極と、を備え、第2電極と第3電極が相対的に変位可能に構成される。 One aspect of the present invention relates to a power generator. The power generation device includes an electret, a first electrode that supports or faces the electret, a second electrode that is electrically connected to the first electrode, a third electrode that faces the second electrode, , wherein the second electrode and the third electrode are configured to be displaceable relative to each other.

本発明のある態様によれば、従来のエレクトレット発電装置の問題の少なくともひとつを解決できる。 According to one aspect of the present invention, at least one of the problems of conventional electret power generators can be overcome.

従来のエレクトレット発電装置を備える発電システムのブロック図である。1 is a block diagram of a power generation system including a conventional electret power generation device; FIG. 実施の形態に係る発電装置を模式的に示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows typically the electric power generating apparatus which concerns on embodiment. 図3(a)~(c)は、可変容量Cvの構成例を示す図である。3A to 3C are diagrams showing configuration examples of the variable capacitor Cv. 図2の発電装置の等価回路図である。3 is an equivalent circuit diagram of the power generator of FIG. 2; FIG. 図5(a)、(b)は、図2の発電装置の動作を説明する図である。5(a) and 5(b) are diagrams for explaining the operation of the power generator of FIG. 2. FIG. 一実施例に係る発電装置の等価回路図である。1 is an equivalent circuit diagram of a power generator according to an embodiment; FIG. 図6の発電装置の第1の構成例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first configuration example of the power generator of FIG. 6; 図6の発電装置の第2の構成例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a second configuration example of the power generator of FIG. 6; 発電装置を備えるエネルギーハーベストデバイスの断面図である。1 is a cross-sectional view of an energy harvesting device with a power generator; FIG. 図10(a)~(c)は、作製した発電装置を示す図である。FIGS. 10(a) to 10(c) are diagrams showing the fabricated power generator. 図11(a)~(c)は、作製した第1構造体を示す図である。FIGS. 11A to 11C are diagrams showing the manufactured first structure. 図12(a)~(c)は、発電装置の動作を説明する図である。12(a) to (c) are diagrams for explaining the operation of the power generator. 発電装置の発電特性の測定系のブロック図である。4 is a block diagram of a system for measuring power generation characteristics of the power generation device; FIG. 発電装置の周波数特性(測定結果)を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic (measurement result) of an electric power generating apparatus. 発電装置の出力電圧の測定波形図である。It is a measurement waveform diagram of the output voltage of the power generator. 図16(a)は、振動発生器が発生する振動の振幅と、測定される電圧の振幅の関係を示す図であり、図16(b)は、発電装置の出力電力の負荷依存性を示す図である。FIG. 16(a) is a diagram showing the relationship between the amplitude of vibration generated by the vibration generator and the amplitude of the measured voltage, and FIG. 16(b) shows the load dependence of the output power of the power generator. It is a diagram.

(実施の形態の概要)
本明細書の一実施の形態には、発電装置が開示される。この発電装置は、エレクトレットと、エレクトレットを支持し、または対向配置される第1電極と、第1電極と電気的に接続される第2電極と、第2電極との間に静電容量を形成する第3電極と、を備え、第2電極と第3電極が形成する静電容量が可変に構成される。
(Overview of Embodiment)
An embodiment of the present specification discloses a power generation device. This power generation device forms a capacitance between the electret, a first electrode that supports or faces the electret, a second electrode that is electrically connected to the first electrode, and the second electrode. and a third electrode, wherein the capacitance formed by the second electrode and the third electrode is configured to be variable.

エレクトレットに生ずる固定電荷を-Qとするとき、第1電極には、逆極性の誘導電荷+Qが発生する。第1電極と第2電極の電荷保存の法則から、第2電極には-Qの電荷が発生する。第2電極と第3電極が形成する静電容量が変化することにより、第3電極に生ずる電荷が変化し、電力を取り出すことができる。 Assuming that the fixed charge generated in the electret is -Q, the induced charge +Q of opposite polarity is generated in the first electrode. A -Q charge is generated at the second electrode according to the law of conservation of charge between the first electrode and the second electrode. By changing the capacitance formed by the second electrode and the third electrode, the electric charge generated in the third electrode changes, and electric power can be extracted.

エレクトレットの面積は、第2電極の面積より大きくてもよい。これにより、第2電極の表面電荷密度を高めることができ、ひいては最大発電出力を高めることができる。 The area of the electret may be larger than the area of the second electrode. Thereby, the surface charge density of the second electrode can be increased, and the maximum power generation output can be increased.

エレクトレットと第1電極のペアが複数個、電気的に並列に接続されてもよい。これにより、エレクトレットの総面積を、ペアの個数に応じて設計できる。 A plurality of pairs of electrets and first electrodes may be electrically connected in parallel. Thereby, the total area of the electret can be designed according to the number of pairs.

エレクトレットと第1電極のペアは、積層されてもよい。これにより、パッケージ面積を増やすことなく、最大発電出力を増やすことができる。 The electret and first electrode pair may be stacked. As a result, the maximum power output can be increased without increasing the package area.

発電装置は、第2電極と第3電極を含む第1構造体とエレクトレットと第1電極を含む第2構造体とを備えてもよい。第2構造体は、第1構造体の上に積層されてもよい。第1構造体と第2構造体を個別に製造することにより、MEMSプロセスと、エレクトレットの製造プロセスを分離することができる。このことは、各製造プロセスや材料の選択が、互いに制約を受けないことを意味し、従来よりも高性能な発電装置の設計が可能となる。 The power generator may comprise a first structure including a second electrode and a third electrode, and a second structure including an electret and the first electrode. The second structure may be laminated on top of the first structure. By separately manufacturing the first structure and the second structure, the MEMS process and the electret manufacturing process can be separated. This means that each manufacturing process and selection of materials are not mutually restricted, making it possible to design a power generator with higher performance than before.

第2電極が固定され、第3電極が振動可能に支持されてもよい。 The second electrode may be fixed and the third electrode may be supported to vibrate.

(実施の形態)
以下、実施形態についていくつかの図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
(Embodiment)
Embodiments are described in detail below with reference to several drawings. In the following description, components having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.

また図面に記載される各部材の寸法(厚み、長さ、幅など)は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Aが、別の部材Bよりも厚く(長く)描かれていても、部材Aが部材Bよりも薄い(短い)こともあり得る。 Also, the dimensions (thickness, length, width, etc.) of each member shown in the drawings may be appropriately scaled for easier understanding. Furthermore, the dimensions of a plurality of members do not necessarily represent their size relationship. may be thinner (shorter) than member B.

図2は、実施の形態に係る発電装置100を模式的に示す図である。発電装置100は、エレクトレット102、第1電極104、第2電極106、第3電極108を備える。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the power generator 100 according to the embodiment. The power generator 100 includes an electret 102 , a first electrode 104 , a second electrode 106 and a third electrode 108 .

エレクトレット102には、固定電荷-Qが帯電している。エレクトレット102は第1電極104によって支持されている。第1電極104には、エレクトレット102の固定電荷-Qに対応する誘導電荷+Qが発生する。第2電極106は、第1電極104と電気的に接続される。電荷保存の法則により、第1電極104と第2電極106の総電荷量はゼロであるから、第2電極106の電荷量は-Qである。 The electret 102 is charged with a fixed charge -Q0 . Electret 102 is supported by first electrode 104 . An induced charge +Q 0 corresponding to the fixed charge -Q 0 of the electret 102 is generated at the first electrode 104 . A second electrode 106 is electrically connected to the first electrode 104 . According to the law of conservation of charge, the total charge on the first electrode 104 and the second electrode 106 is zero, so the charge on the second electrode 106 is -Q0 .

第3電極108は、第2電極106と対向配置され、静電容量Cvを形成する。第2電極106と第3電極108は、それらが形成する静電容量(以下、可変容量ともいう)Cvが、振動等の外力に応じて可変となるように構成される。第3電極108の電荷量Qは、可変容量Cvに応じて変化し、したがって出力端子110から電力を取り出すことができる。 A third electrode 108 is arranged opposite to the second electrode 106 to form a capacitance Cv. The second electrode 106 and the third electrode 108 are configured such that the electrostatic capacitance (hereinafter also referred to as variable capacitance) Cv formed by them is variable according to an external force such as vibration. The amount of charge Q of the third electrode 108 changes according to the variable capacitance Cv, so power can be extracted from the output terminal 110 .

図3(a)~(c)は、可変容量Cvの構成例を示す図である。図3(a)、(b)では、第2電極106と第3電極108の物理的な位置が、相対的に変位可能となっている。図3(a)では、第2電極106と第3電極108の少なくとも一方を、面内方向に変位可能とし、それらのオーバーラップする面積が可変である。図3(b)では、第2電極106と第3電極108の少なくとも一方を、面外方向(面直方向)に変位可能とし、それらの距離が可変となっている。 3A to 3C are diagrams showing configuration examples of the variable capacitor Cv. In FIGS. 3A and 3B, the physical positions of the second electrode 106 and the third electrode 108 are relatively displaceable. In FIG. 3A, at least one of the second electrode 106 and the third electrode 108 is displaceable in the in-plane direction, and the overlapping area between them is variable. In FIG. 3B, at least one of the second electrode 106 and the third electrode 108 is displaceable in the out-of-plane direction (perpendicular to the plane), and the distance between them is variable.

図3(c)では、第2電極106と第3電極108の間の空間の誘電率を、振動等の外力に応じて可変としてもよい。たとえば第2電極106と第3電極108の間に、誘電体109を挿入し、誘電体109を外力に応じて面内方向に変位可能としてもよい。 In FIG. 3C, the dielectric constant of the space between the second electrode 106 and the third electrode 108 may be variable according to external forces such as vibration. For example, a dielectric 109 may be inserted between the second electrode 106 and the third electrode 108 so that the dielectric 109 can be displaced in the in-plane direction according to an external force.

なお、可変容量Cvの構成は図3(a)~(c)に限定されない。 Note that the configuration of the variable capacitor Cv is not limited to that shown in FIGS. 3(a) to 3(c).

図4は、図2の発電装置100の等価回路図である。第2電極106と第3電極108が可変容量Cvを形成するのに対して、エレクトレット102と第1電極104は、固定的な静電容量(以下、固定容量)Cfを形成するものとみなすことができる。すなわち、発電装置100は、エレクトレット102を含む固定容量Cfと、可変容量Cvの直列接続と把握することができる。 FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the power generator 100 of FIG. The second electrode 106 and the third electrode 108 form a variable capacitance Cv, while the electret 102 and the first electrode 104 form a fixed electrostatic capacitance (hereinafter, fixed capacitance) Cf. can be done. That is, the power generation device 100 can be understood as a series connection of a fixed capacitance Cf including the electret 102 and a variable capacitance Cv.

以上が発電装置100の基本構成である。続いてその動作原理を説明する。図5(a)、(b)は、図2の発電装置100の動作を説明する図である。ここでは図3(a)に示すように、第2電極106が固定電極であり、第3電極108が面内方向に変位する可動電極とする。 The above is the basic configuration of the power generation device 100 . Next, the principle of operation will be explained. 5(a) and 5(b) are diagrams for explaining the operation of the power generator 100 of FIG. 2. FIG. Here, as shown in FIG. 3A, the second electrode 106 is a fixed electrode, and the third electrode 108 is a movable electrode displaceable in the in-plane direction.

図5(a)は第3電極108の変位量がゼロの状態を、図5(b)は第3電極108が面内方向にΔx変位した状態を示す。図5(a)に示すように、エレクトレット102に固定電荷-Qが帯電するとき、第2電極106にも同じ誘導電荷-Qが現れ、これは実質的に一定とみなすことができ、擬似的な固定電荷として扱うことができる。第3電極108には、第2電極106の擬似的な固定電荷-Qに対応する誘導電荷+Qが現れる。変位量Δx=0のとき、第2電極106に現れる誘導電荷Qは、Qと等しい。 FIG. 5(a) shows a state in which the amount of displacement of the third electrode 108 is zero, and FIG. 5(b) shows a state in which the third electrode 108 is displaced by Δx in the in-plane direction. As shown in FIG. 5(a), when the electret 102 is charged with a fixed charge −Q 0 , the same induced charge −Q 0 also appears on the second electrode 106, which can be considered substantially constant, It can be treated as a pseudo fixed charge. At the third electrode 108, an induced charge +Q corresponding to the pseudo fixed charge -Q0 at the second electrode 106 appears. When the amount of displacement Δx= 0 , the induced charge Q appearing on the second electrode 106 is equal to Q0.

図5(b)に示すように第3電極108がX方向に変位すると、第2電極106と第3電極108のオーバーラップする面積が変化し、可変容量Cvが変化する。その結果、第2電極106の電荷Qが変化し、出力端子110から電力として取り出すことができる。 As shown in FIG. 5B, when the third electrode 108 is displaced in the X direction, the overlapping area of the second electrode 106 and the third electrode 108 changes, and the variable capacitance Cv changes. As a result, the charge Q of the second electrode 106 changes and can be extracted as power from the output terminal 110 .

以上が発電装置100の動作である。続いて発電装置100の利点を説明する。 The above is the operation of the power generation device 100 . Next, advantages of the power generator 100 will be described.

発電装置100の第1の利点は、第2電極106の電荷量が、第2電極106の面積に依存せずに、エレクトレット102に帯電する電荷量-Qで決まる点である。このことは、可動部分(第3電極108)の面積を大きくしなくても、エレクトレット102の電荷量Qを大きくすれば、最大発電出力を高めることができることを意味する。言い換えれば、第2電極106の面積を小さくして、固定電極側の電荷密度を高めることが可能である。 A first advantage of the power generation device 100 is that the amount of charge on the second electrode 106 is determined by the amount of charge -Q 0 charged on the electret 102 , independent of the area of the second electrode 106 . This means that the maximum power output can be increased by increasing the charge amount Q0 of the electret 102 without increasing the area of the movable portion (the third electrode 108). In other words, it is possible to reduce the area of the second electrode 106 and increase the charge density on the fixed electrode side.

発電装置100の第2の利点は、エレクトレット102を含む固定容量Cfの部分と、MEMS構造を有する可変容量Cvの部分を分離可能であることである。これによりエレクトレット102の製造プロセスと、MEMS構造の製造プロセスを分離することができ、それぞれのプロセスを、他方のプロセスの影響を受けずに最適化することができる。例えば従来では、MEMS構造は、エレクトレットを帯電させるために印加される高電圧に耐えうるように設計する必要があったが、2つの部分を分離することにより、そのような制約から開放される。また、エレクトレット102の製膜プロセスについても、MEMS構造から制約を受けなくなるため、従来よりも材料選択、製膜方法、帯電方法の選択の自由度が高まり、性能向上に資することとなる。 A second advantage of the power generation device 100 is that the fixed capacitance Cf portion including the electret 102 can be separated from the variable capacitance Cv portion having the MEMS structure. This allows the manufacturing process of the electret 102 and the manufacturing process of the MEMS structure to be separated, and each process can be optimized without being affected by the other process. For example, in the past, MEMS structures had to be designed to withstand the high voltages applied to charge the electret, but separating the two parts relieves such constraints. In addition, since the film forming process of the electret 102 is no longer restricted by the MEMS structure, the degree of freedom in selecting materials, film forming methods, and electrification methods is higher than in the past, contributing to improved performance.

本発明は、図2の断面図や図4の等価回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や変形例を説明する。 The present invention extends to various devices and circuits grasped as the cross-sectional view of FIG. 2 and the equivalent circuit diagram of FIG. 4, or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and modified examples will be described not for narrowing the scope of the present invention, but for helping to understand the essence of the invention and circuit operation and clarifying them.

図6は、一実施例に係る発電装置100Aの等価回路図である。発電装置100Aは、エレクトレット102と第1電極104からなる固定容量Cfを複数N個(N≧2)備え、それらが電気的に並列に接続される。 FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the power generator 100A according to one embodiment. The power generator 100A includes a plurality of N (N≧2) fixed capacitors Cf each composed of the electret 102 and the first electrode 104, which are electrically connected in parallel.

固定容量Cf1~CfNそれぞれの電荷量をQ~Qとする。このとき第2電極106に生ずる擬似的な固定電荷は、Q+Q+・・・Q=ΣQiとなる。図4の発電装置100と第2電極106の面積が等しい場合、表面電荷密度を高めることができる。なお、固定容量Cf1~CfNの個数を増やすことは、単純にエレクトレット102の総面積が増えるだけであるから、製造上の困難性はない。 Let Q 1 to Q N be the charge amounts of the fixed capacitors Cf1 to CfN, respectively. The pseudo fixed charge generated at the second electrode 106 at this time is Q 1 +Q 2 + . . . Q N =ΣQi. If the power generator 100 of FIG. 4 and the second electrode 106 have the same area, the surface charge density can be increased. It should be noted that increasing the number of fixed capacitors Cf1 to CfN simply increases the total area of the electret 102, so there is no difficulty in manufacturing.

図7は、図6の発電装置の第1の構成例(100B)を示す断面図である。図7において、複数の固定容量Cf1~CfNは積層される。これにより、実効的な面積(フットプリント)を維持したまま、第2電極106の表面電荷密度を高めることができる。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first configuration example (100B) of the power generator of FIG. In FIG. 7, a plurality of fixed capacitors Cf1-CfN are stacked. Thereby, the surface charge density of the second electrode 106 can be increased while maintaining the effective area (footprint).

可変容量Cvを含む部分(第1構造体)120と、複数の固定容量Cf1~CfNを含む部分(第2構造体)122は、別々のチップとして構成してもよい。これにより、2つの製造プロセスを完全に分離することができる。 A portion (first structure) 120 including the variable capacitor Cv and a portion (second structure) 122 including a plurality of fixed capacitors Cf1 to CfN may be configured as separate chips. This allows the two manufacturing processes to be completely separated.

なお、第1構造体120と第2構造体122は、別々のパッケージに分離してもよいし、ひとつのパッケージに隣接して収容してもよい。 Note that the first structure 120 and the second structure 122 may be separated into separate packages, or may be housed adjacently in one package.

図8は、図6の発電装置の第2の構成例(100C)を示す断面図である。図8では、図7の第1構造体120と第2構造体122が積層されている。これにより、図7に比べてさらにデバイスのフットプリントを小さくできる。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a second configuration example (100C) of the power generator of FIG. In FIG. 8, the first structure 120 and the second structure 122 of FIG. 7 are laminated. This makes it possible to further reduce the footprint of the device compared to FIG.

図9は、発電装置を備えるエネルギーハーベストデバイス200の断面図である。エネルギーハーベストデバイス200は、発電装置100Dに加えて、電源管理回路210、さらには負荷回路220を備える。発電装置100Dは、図8と同様に、第1構造体120と第2構造体122の積層構造を有する。第1構造体120は、半導体基板130上に構成される。半導体基板130には、さまざまな回路を集積化することができる。好ましくは半導体基板130に、発電装置100Dの出力電力を負荷回路220に中継する電源管理回路210を集積化するとよい。 FIG. 9 is a cross-sectional view of an energy harvesting device 200 with a power generator. The energy harvesting device 200 includes a power management circuit 210 and a load circuit 220 in addition to the power generation device 100D. The power generation device 100D has a laminated structure of a first structure 120 and a second structure 122, as in FIG. The first structure 120 is constructed on a semiconductor substrate 130 . Various circuits can be integrated on the semiconductor substrate 130 . Preferably, the semiconductor substrate 130 is integrated with the power management circuit 210 that relays the output power of the power generation device 100</b>D to the load circuit 220 .

第1構造体120は、半導体基板130上にMEMSプロセスを利用して形成される。第2電極106は、半導体基板130上に固定的に形成される。第1構造体120は、第3電極108に加えて、ばね134と、錘136を備える。ばね134は、錘136を水平方向に振動可能に支持する。発電装置100Dの最大発電出力は、錘136の質量に比例するため、錘136は高密度な金属で形成するとよい。たとえば錘136は、金(Au)を用いることができる。錘136を導電性の高い金属で構成する場合、錘136が第3電極108を兼ねることができる。錘136として非金属、あるいは導電性の低い金属を選択した場合、錘136の面上に、第2電極106と対向して第3電極108を形成するとよい。 A first structure 120 is formed on a semiconductor substrate 130 using a MEMS process. The second electrode 106 is fixedly formed on the semiconductor substrate 130 . The first structure 120 includes a spring 134 and a weight 136 in addition to the third electrode 108 . The spring 134 supports the weight 136 so as to vibrate horizontally. Since the maximum power generation output of the power generation device 100D is proportional to the mass of the weight 136, the weight 136 is preferably made of high-density metal. For example, the weight 136 can use gold (Au). When the weight 136 is made of highly conductive metal, the weight 136 can also serve as the third electrode 108 . When a non-metal or a low-conductivity metal is selected as the weight 136 , the third electrode 108 may be formed on the surface of the weight 136 so as to face the second electrode 106 .

第1構造体120のMEMS製造プロセスは、特に限定されず、公知の、あるいは将来利用可能な技術を用いることができるが、たとえば非特許文献1に記載の技術を用いてもよい。 The MEMS manufacturing process of the first structure 120 is not particularly limited, and known or future available technology can be used.

第1構造体120の上には、第2構造体122が搭載される。第2構造体122は、半導体基板130および第1構造体120とは独立に製造した後に、第2構造体122の上に実装される。 A second structure 122 is mounted on the first structure 120 . The second structure 122 is mounted on the second structure 122 after being manufactured independently of the semiconductor substrate 130 and the first structure 120 .

上述のように、第2構造体122は積層されたN個の固定容量Cf1~CfNを含む。たとえば各固定容量Cfは、支持基板112の上に形成された第1電極104と、第1電極104の上に形成されたエレクトレット102を含む。複数の固定容量Cf1~CfNの電気的接続は、ポスト(ビアホール)114を介して行われる。 As described above, the second structure 122 includes stacked N fixed capacitors Cf1 to CfN. For example, each fixed capacitance Cf includes a first electrode 104 formed on a support substrate 112 and an electret 102 formed on the first electrode 104. As shown in FIG. A plurality of fixed capacitors Cf1 to CfN are electrically connected through posts (via holes) 114. FIG.

半導体基板130の上には、第2構造体122と隣接して負荷回路220を形成してもよい。たとえば負荷回路220は小型のセンサであり、図9では加速度センサが示される。加速度センサと第2構造体122は、類似の構造を有するため、共通の製造プロセスで形成することができ、特に集積化するメリットが大きいといえる。 A load circuit 220 may be formed on the semiconductor substrate 130 adjacent to the second structure 122 . For example, load circuit 220 is a small sensor, an acceleration sensor is shown in FIG. Since the acceleration sensor and the second structure 122 have similar structures, they can be formed by a common manufacturing process, and it can be said that integration is particularly advantageous.

(サンプルの作製および評価)
本発明者らは、図8の発電装置100Bのサンプル(符号300を付す)を作製し、その評価を行った。図10(a)~(c)は、作製した発電装置300を示す図である。
(Sample preparation and evaluation)
The present inventors produced a sample (denoted by reference numeral 300) of the power generation device 100B of FIG. 8 and evaluated it. FIGS. 10(a) to 10(c) are diagrams showing the fabricated power generator 300. FIG.

図10(a)は、発電装置100Bのサンプル(符号300を付す)の構造を示す。発電装置300は、第1構造体310および第2構造体320を備える。第1構造体310は、図7の第1構造体120に対応しており、櫛形の固定電極312、可動電極314およびバネ316を備える。第1構造体310はMEMSプロセスを用いて、Si半導体基板上に形成されている。 FIG. 10(a) shows the structure of a sample (labeled with reference numeral 300) of the power generation device 100B. The power generation device 300 includes a first structure 310 and a second structure 320 . The first structure 310 corresponds to the first structure 120 of FIG. 7 and comprises comb-shaped fixed electrodes 312 , movable electrodes 314 and springs 316 . A first structure 310 is formed on a Si semiconductor substrate using a MEMS process.

第2構造体320は、図7の第2構造体122に対応しており、オフチップエレクトレットと称される。作製したサンプルでは、図7における固定容量Cfの個数Nは1とした。第2構造体320は、エレクトレット層326および誘電体層328を2枚の導体322,324で挟み込む構造をとっている。エレクトレット層326の材料はCYTOP(登録商標)であり、厚みは10μmである。誘電体層328の材料はSU-8であり、厚みは400μmである。2枚の導体322,324は、N型の不純物をドープしたシリコンウェハである。ウェハの直径は4インチである。 The second structure 320 corresponds to the second structure 122 in FIG. 7 and is called an off-chip electret. In the manufactured sample, the number N of fixed capacitors Cf in FIG. 7 was set to one. The second structure 320 has a structure in which an electret layer 326 and a dielectric layer 328 are sandwiched between two conductors 322 and 324 . The electret layer 326 is made of CYTOP (registered trademark) and has a thickness of 10 μm. The dielectric layer 328 is made of SU-8 and has a thickness of 400 μm. The two conductors 322, 324 are silicon wafers doped with N-type impurities. The wafer diameter is 4 inches.

第2構造体320の製造方法を説明する。上側の導体322にCYTOPをスピンコートにより塗布し、ベークを行う作業を繰り返し、上側の構造体を作製する。また、下側の導体324に、SU-8をスピンコートにより塗布し、アニールを行う作業を繰り返し、下側の構造体を作製する。そして、SU-8を加熱した状態で、CYTOPとSU-8を貼り合わせることで、それらを接着させた。 A method for manufacturing the second structure 320 will be described. The operation of applying CYTOP to the upper conductor 322 by spin coating and baking is repeated to fabricate the upper structure. Further, SU-8 is applied to the lower conductor 324 by spin coating, and the operation of annealing is repeated to fabricate the lower structure. Then, CYTOP and SU-8 were adhered to each other by laminating them together while SU-8 was heated.

図10(b)は、図10(a)の発電装置300の等価回路を示す。Cは、誘電体層328の容量を表し、Cは、固定電極312と可動電極314とが形成する容量を表す。CP1~CP3は寄生容量を表しており、CP1は主として電極322とエレクトレット層326が形成する寄生容量を、CP2は容量Cと並列な寄生容量を表し、CP3は発電装置300の出力OUTと接地間の寄生容量を表す。 FIG. 10(b) shows an equivalent circuit of the generator 300 of FIG. 10(a). C A represents the capacitance of dielectric layer 328 and C M represents the capacitance formed by fixed electrode 312 and movable electrode 314 . C P1 to C P3 represent parasitic capacitances, C P1 representing the parasitic capacitance formed mainly by the electrode 322 and the electret layer 326, C P2 representing the parasitic capacitance parallel to the capacitance C M , and C P3 representing the parasitic capacitance of the generator 300. represents the parasitic capacitance between the output OUT of and ground.

図10(c)は、より簡略化された等価回路を示す。図10(c)の容量Cは、図10(b)に示される容量の内、C以外の容量C,CP1,CP2,CP3の合成容量である。Cの設計値は350pF、Cの設計値は300~400pFである。 FIG. 10(c) shows a more simplified equivalent circuit. A capacitance C B in FIG. 10(c) is a combined capacitance of capacitances C M , C P1 , C P2 , and C P3 other than C A among the capacitances shown in FIG. 10( b). The design value of C A is 350 pF, and the design value of C B is 300-400 pF.

図11(a)~(c)は、作製した第1構造体310を示す図である。図11(a)は、第1構造体310の全体を示す。図11(b)は櫛形の電極部分を示す。 FIGS. 11A to 11C are diagrams showing the manufactured first structure 310. FIG. FIG. 11(a) shows the entire first structure 310. FIG. FIG. 11(b) shows a comb-shaped electrode portion.

図12(a)~(c)は、発電装置300の動作を説明する図である。振動が発生すると、容量Cが変化し、容量Cが変化する。図12(a)~(c)には、C>C、C=C、C<Cの状態が示される。振動によって、図12(a)~(c)の状態を遷移することにより、交流の電力を取り出すことができる。 12(a) to (c) are diagrams for explaining the operation of the power generator 300. FIG. When vibration occurs, the capacitance CM changes and the capacitance CB changes . FIGS. 12(a) to 12(c) show the states of CB > CA , CB = CA , and CB < CA . Alternating current power can be extracted by transitioning the states of FIGS. 12(a) to (c) by vibration.

図13は、発電装置300の発電特性の測定系400のブロック図である。振動発生器410は、第1構造体310に振動を与えて、固定電極312と可動電極314の間の容量Cを変化させる。発電装置300の出力端子には、負荷412として抵抗(抵抗値をRLOADとする)が接続される。ボルテージフォロア414は、ゲイン1のアンプであり、負荷412に発生する電圧を受け、オシロスコープ416に出力する。 FIG. 13 is a block diagram of a power generation characteristic measurement system 400 of the power generation device 300. As shown in FIG. The vibration generator 410 vibrates the first structure 310 to change the capacitance CM between the fixed electrode 312 and the movable electrode 314 . A resistor (having a resistance value of R LOAD ) is connected as a load 412 to the output terminal of the power generator 300 . The voltage follower 414 is an amplifier with a gain of 1, receives the voltage generated in the load 412 and outputs it to the oscilloscope 416 .

図14は、発電装置300の周波数特性を示す図である。負荷412としてRLOAD=10MΩの抵抗を用いている。振動発生器410により、加速度0.2Gの振動を発生し、周波数をスイープしている。この結果から、共振周波数が309Hzであることがわかる。 FIG. 14 is a diagram showing frequency characteristics of the power generation device 300. As shown in FIG. A resistor of R LOAD =10 MΩ is used as the load 412 . A vibration generator 410 generates vibration with an acceleration of 0.2 G and sweeps the frequency. From this result, it can be seen that the resonance frequency is 309 Hz.

図15は、発電装置300の出力電圧の測定波形図である。実線(i)は、発電装置300の出力電圧の波形を示す。比較のために、第2構造体320を取り外したときの波形を破線(ii)で示す。加速度0.2G、周波数309Hzの入力振動を与え、RLOAD=10MΩの条件で測定した。第2構造体320の有無により、発電能力が大きく変化していることが確認できる。 FIG. 15 is a measured waveform diagram of the output voltage of the power generation device 300. As shown in FIG. A solid line (i) indicates the waveform of the output voltage of the power generator 300 . For comparison, the waveform when the second structure 320 is removed is indicated by a dashed line (ii). An acceleration of 0.2 G and an input vibration with a frequency of 309 Hz were applied, and measurements were made under the conditions of R LOAD =10 MΩ. It can be confirmed that the presence or absence of the second structure 320 significantly changes the power generation capacity.

図16(a)は、振動発生器410が発生する振動の振幅と、測定される電圧の振幅の関係を示す図である。振動の周波数は、共振周波数と等しい309Hz、負荷412は10MΩの抵抗である。 FIG. 16(a) is a diagram showing the relationship between the amplitude of vibration generated by the vibration generator 410 and the amplitude of the measured voltage. The vibration frequency is 309 Hz, which is equal to the resonance frequency, and the load 412 is a resistance of 10 MΩ.

図16(b)は、発電装置300の出力電力の負荷依存性を示す図である。横軸は負荷412の抵抗値RLOADを、縦軸は、発電装置300から取り出される電力Pを表す。電力Pは、V/RLOADから計算できる。出力電力はRLOAD=10MΩ付近において最大となっている。 FIG. 16(b) is a diagram showing the load dependence of the output power of the power generator 300. As shown in FIG. The horizontal axis represents the resistance value R LOAD of the load 412 and the vertical axis represents the power P extracted from the power generation device 300 . Power P can be calculated from V 2 /R LOAD . The output power is maximum near R LOAD =10 MΩ.

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications can be made to the combination of each component and each treatment process, and that such modifications are within the scope of the present invention. be. Such modifications will be described below.

(変形例1)
実施の形態では、エレクトレット102が第1電極104によって支持される構成としたが、その限りでなく、第1電極104とエレクトレット102は静電容量を形成すればよい。したがってエレクトレット102と第1電極104は対向配置されてもよい。
(Modification 1)
In the embodiment, the electret 102 is supported by the first electrode 104, but the configuration is not limited to this, and the first electrode 104 and the electret 102 may form capacitance. Therefore, the electret 102 and the first electrode 104 may be arranged to face each other.

(変形例2)
図9においてエネルギーハーベストデバイス200に集積化する負荷回路220は、加速度センサには限定されない。加速度センサに代えて、あるいはそれに加えて、照度センサ、温度センサなどを集積化してもよい。
(Modification 2)
The load circuit 220 integrated into the energy harvesting device 200 in FIG. 9 is not limited to an acceleration sensor. Instead of or in addition to the acceleration sensor, an illuminance sensor, a temperature sensor, etc. may be integrated.

(変形例3)
図9では、発電装置100D、電源管理回路210、負荷回路220をモジュール化したが、その限りでなく、発電装置100Dと電源管理回路210をモジュール化し、負荷回路220は外付けとしてもよい。この場合、エネルギーハーベストデバイスの汎用性を高めることができる。
(Modification 3)
In FIG. 9, the power generator 100D, the power management circuit 210, and the load circuit 220 are modularized, but the power generator 100D and the power management circuit 210 may be modularized, and the load circuit 220 may be external. In this case, the versatility of the energy harvesting device can be enhanced.

100 発電装置
102 エレクトレット
104 第1電極
106 第2電極
108 第3電極
110 出力端子
112 支持基板
Cv 静電容量
120 第1構造体
122 第2構造体
130 半導体基板
132 電源管理回路
134 ばね
136 錘
200 エネルギーハーベストデバイス
210 電源管理回路
220 負荷回路
REFERENCE SIGNS LIST 100 power generator 102 electret 104 first electrode 106 second electrode 108 third electrode 110 output terminal 112 support substrate Cv capacitance 120 first structure 122 second structure 130 semiconductor substrate 132 power management circuit 134 spring 136 weight 200 energy Harvest device 210 Power management circuit 220 Load circuit

Claims (4)

エレクトレットと、
前記エレクトレットを支持し、または対向配置される第1電極と、
前記第1電極と電気的に接続される第2電極と、
前記第2電極との間に静電容量を形成する第3電極と、
前記第2電極と前記第3電極を含む第1構造体と、
第2構造体と、
を備え、
前記第2電極と前記第3電極が形成する前記静電容量が可変に構成され、
前記第1構造体と前記第2構造体とは積層されており、
前記第2構造体は、前記エレクトレットと前記第1電極の複数個のペアを含み、前記エレクトレットと前記第1電極の複数個のペアは、電気的に並列に接続されるとともに、前記第1構造体と前記第2構造体との積層方向と同じ方向に積層され、前記エレクトレットの総面積は、前記第2電極の面積より大きい
発電装置。
electret and
a first electrode that supports or faces the electret;
a second electrode electrically connected to the first electrode;
a third electrode forming a capacitance between the second electrode;
a first structure including the second electrode and the third electrode;
a second structure;
with
The capacitance formed by the second electrode and the third electrode is configured to be variable,
The first structure and the second structure are laminated,
The second structure includes a plurality of pairs of the electret and the first electrode, the plurality of pairs of the electret and the first electrode being electrically connected in parallel and The electret is laminated in the same direction as the lamination direction of the body and the second structure, and the total area of the electret is larger than the area of the second electrode.
generator.
前記第2電極が固定され、前記第3電極が振動可能に支持されることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。 2. The power generator according to claim 1, wherein the second electrode is fixed and the third electrode is supported so as to vibrate. 半導体基板と、
請求項1又は請求項2に記載の発電装置と、
前記半導体基板に形成され、前記発電装置の出力を負荷に供給する電源管理回路と、
を備え、
前記発電装置の前記第1構造体が、前記半導体基板の上に形成されており、
前記発電装置の前記第2構造体が、前記第1構造体の上に実装されていることを特徴とするエネルギーハーベストデバイス。
a semiconductor substrate;
A power generator according to claim 1 or claim 2 ;
a power management circuit formed on the semiconductor substrate for supplying the output of the power generation device to a load;
with
The first structure of the power generation device is formed on the semiconductor substrate,
The energy harvesting device, wherein the second structure of the power generator is mounted on the first structure.
前記半導体基板の上に形成される前記負荷であるセンサをさらに備えることを特徴とする請求項に記載のエネルギーハーベストデバイス。 4. The energy harvesting device of claim 3 , further comprising a sensor that is the load formed on the semiconductor substrate.
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