KR101457462B1

KR101457462B1 - 진동 발전 디바이스

Info

Publication number: KR101457462B1
Application number: KR1020127028276A
Authority: KR
Inventors: 준야 오가와; 노리히로 야마우치; 도모아키 마쓰시마; 고이치 아이자와
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2014-11-03
Also published as: CN102859862B; EP2566039A4; WO2011136315A1; KR20130003017A; TWI455472B; JP5609244B2; TW201212515A; JP2011234568A; EP2566039A1; CN102859862A; US20130038175A1

Abstract

프레임부, 프레임부의 내측에 설치된 추부, 프레임부와 추부 사이를 연결하고 추부가 진동함으로써 휘는 휨부, 및 휨부의 한쪽 표면에 하층에서부터 하부 전극과 압전층과 상부 전극이 차례로 적층되고 추부의 요동에 따라 교류 전압을 발생하는 발전부를 포함하는 진동 발전 디바이스로서, 프레임부와 추부 사이에는 공진 주파수 조절 수단을 포함하고 있다.

Description

진동 발전 디바이스 {VIBRATION POWER GENERATION DEVICE}

본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미소 전자 기기) 기술을 사용하여, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 진동 발전 디바이스에 관한 것이다.

종래부터, 차나 사람의 움직임 등 임의의 진동에 기인한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 MEMS 디바이스의 일종인 발전 디바이스가 있다. 이와 같은 발전 디바이스에 관해서는 다양한 연구가 이루어지고 있다(특허 문헌 1 참조).

상기 특허 문헌 1에 나타난 발전 디바이스는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 기판(1)과, 기판(1)에 설치된 추부(錘部)(2)와, 기판(1)과 추부(2) 사이를 연결하고 추부(2)가 변위함으로써 휘는 인청동판(3)과, 인청동판(3)의 양면에 압전 세라믹판(4)과 전극(5)이 적층되어 추부(2)의 요동에 따라 교류 전압을 발생하는 압전 발전부(6)를 구비한 압전 발전 장치가 나타나 있다.

특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 평7-107752호

그러나, 애플리케이션에 응용할 때, 압전 발전 장치는 애플리케이션의 환경 진동의 주파수에 맞추어 공진 주파수가 조절되어 있지 않다는 과제가 있었다.

본 발명은, 상기 배경 기술을 감안하여 발명된 것으로, 그 과제는 애플리케이션 고유의 공진 주파수에 맞추어 발전 디바이스의 공진 주파수를 간단하게 조절할 수 있는 진동 발전 디바이스를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 진동 발전 디바이스는, 프레임부, 상기 프레임부의 내측에 설치된 추부, 상기 프레임부와 상기 추부 사이를 연결하고 상기 추부가 진동함으로써 휘는 휨부, 및 상기 휨부의 한쪽 표면에 하층에서부터 하부 전극과 압전층과 상부 전극이 차례로 적층되고 상기 추부의 요동에 따라 교류 전압을 발생하는 발전부를 포함하는 진동 발전 디바이스로서, 상기 프레임부와 상기 추부 사이에는, 공진 주파수 조절 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 이 진동 발전 디바이스에서, 상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 휨부와는 별도로 구비된 상기 프레임부와 상기 추부를 연결하는 지지빔부(supporting beam portion)로 구성되며, 상기 지지빔부의 초기 형상을 변경함으로써 공진 주파수를 조절하는 것이 바람직하다.

또, 이 진동 발전 디바이스에서, 상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 프레임부와 상기 휨부와 상기 추부가 정렬된 방향과, 상기 휨부와 상기 추부의 두께 방향을 포함하는 면 내에서, 상기 지지빔부를 대칭적으로 가지는 것이 바람직하다.

또, 이 진동 발전 디바이스에서, 상기 지지빔부는, 상기 프레임부와 상기 추부 사이에서 복수 회 접어 꺾은 스프링 형태의 구조를 가지는 것이 바람직하다.

또, 이 진동 발전 디바이스에서, 상기 스프링 형태의 구조는, 접어 꺾은 부분에 R을 가지는 것이 바람직하다.

또, 이 진동 발전 디바이스에서, 상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 지지빔부의 변의 길이를 변경함으로써 공진 주파수를 일정하게 정해진(소정) 값으로 조절하는 것이 바람직하다.

또, 이 진동 발전 디바이스에서, 상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 지지빔부의 변의 폭을 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절하는 것이 바람직하다.

또, 상기 프레임부는 길이를 가진다. 상기 프레임부는, 길이 방향의 일단에 제1 지지부를 가지고, 상기 길이 방향의 타단에 제2 지지부를 가진다. 휨부는, 상기 제1 지지부에 대하여 장착되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 휨부는, 상기 추부가 상기 프레임부의 내측에 위치하도록, 상기 추부를 지지하는 것이 바람직하다.

또, 공진 주파수 조절 수단은, 지지빔부로 구성되는 것이 바람직하다. 지지빔부는 프레임부와 추부를 연결하도록 형성되어 있다.

또, 추부는 길이를 가지는 것이 바람직하다. 추부는, 그 길이 방향의 일단에 제1 단을 가지고, 그 길이 방향의 타단에 제2 단을 가진다.

추부의 상기 제1 단은 상기 제1 지지부와, 상기 휨부에 의해 연결되어 있다. 지지빔부는 상기 프레임부와 상기 추부의 제2 단을 연결한다.

또, 지지빔부는, 대편(帶片)과 연결편을 가지는 것이 바람직하다. 대편은, 상기 추부의 상기 제2 단에서 상기 프레임부의 제1 지지부를 향해 연장되어 있다. 대편은 접속 부분을 가진다. 접속 부분은, 상기 추부의 상기 제2 단과 상기 프레임부의 제1 지지부 사이에 위치하고 있다. 상기 연결편은, 상기 접속 부분과 상기 프레임부를 연결하도록 형성되어 있다.

또, 연결편은 상기 접속 부분과, 상기 프레임의 제2 지지부를 연결하도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또, 추부는 폭을 가진다. 추부는, 그 폭방향의 일단이 제1 폭방향 단부로서 정의된다. 제1 폭방향 단부는 간극에 의해 상기 프레임부와 이격되어 있다. 대편 및 상기 연결편은 상기 간극에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

또, 대편은 제1 단과 제2 단을 가진다. 상기 제2 단은 대편에서 보아, 상기 제1 단과 반대 측에 위치하고 있다. 대편의 상기 제2 단은, 상기 추부의 제2 단과 접속되어 있는 것이 바람직하다. 연결편의 일단은 상기 대편의 제1 단과 접속되어 있고, 타단은 상기 프레임부의 제2 지지부와 접속되어 있는 것이 바람직하다.

또, 추부는 폭을 가진다. 추부는, 그 폭방향의 일단이 제1 폭방향 단부로서 정의되고, 그 폭방향의 타단이 제2 폭방향 단부로서 정의된다. 제1 폭방향 단부는 제1 간극에 의해 상기 프레임부와 이격되어 있는 것이 바람직하다. 제2 폭방향 단부는 제2 간극에 의해 상기 프레임부와 이격되어 있다. 지지빔부는, 복수의 지지빔부로 구성되어 있다. 지지빔부 중 하나는 상기 제1 간극에 배치되어 있고, 상기 지지빔부 중 다른 하나는 상기 제2 간극에 배치되어 있다.

본 발명의 진동 발전 디바이스에서, 상기 진동 발전 디바이스는, 상기 프레임부와 상기 추부 사이에는, 공진 주파수 조절 수단을 구비하고 있다. 그러므로, 공진 주파수를 소정 값으로 조절한 진동 발전 디바이스를 형성할 수 있다

도 1은 본 발명의 일 실시형태를 나타낸 진동 발전 디바이스의 개략 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸 진동 발전 디바이스에서의 기판의 개략 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태를 나타낸 진동 발전 디바이스에서의 지지빔부의 변형예의 개략 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸 진동 발전 디바이스에서의 기판의 개략 분해 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸 진동 발전 디바이스에서의 기판의 제조 방법을 설명하기 위한, 도 1에서의 A-A′단면의 주요 공정 단면도이다.
도 6은 종래예를 나타내는 진동 발전 디바이스의 개략 단면도이다.

도 1 내지 도 4는, 본 발명의 일 실시형태인 진동 발전 디바이스를 나타낸다. 이 진동 발전 디바이스는, 프레임부(11)와, 프레임부(11)의 내측에 설치된 추부(12)와, 프레임부(11)와 추부(12) 사이를 연결하고 추부(12)가 변위함으로써 휘는 휨부(13)와, 휨부(13)의 한쪽 표면에 하층에서부터 하부 전극(15)과 압전층(16)과 상부 전극(17)이 차례로 적층되고 추부(12)의 요동에 따라 교류 전압을 발생하는 발전부(18)를 구비하고 있다. 또, 프레임부(11)와 추부(12) 사이에는, 공진 주파수 조절 수단을 구비한다. 그리고, 이 공진 주파수 조절 수단은, 휨부(13)와는 별도로 구비한 프레임부(11)와 추부(12)를 연결하는 지지빔부(20)로 구성되며, 지지빔부(20)의 형상을 변경함으로써 공진 주파수를 조절한다. 또, 공진 주파수 조절 수단은, 프레임부(11)와 휨부(13)와 추부(12)가 정렬된 방향과, 상기 휨부와 상기 추부의 두께 방향을 포함하는 면 내에서, 지지빔부(20)를 대칭적으로 가진다. 또, 지지빔부(20)는, 프레임부(11)와 추부(12) 사이에서 복수 회 접어 꺾은 스프링 형태의 구조를 가진다. 또, 스프링 형태의 구조는, 접어 꺾은 부분에 R를 가진다. 그리고, 공진 주파수 조절 수단은 지지빔부(20)의 변의 길이를 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절한다. 또한, 공진 주파수 조절 수단은 지지빔부(20)의 변의 폭(도 2에서의 L)을 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절한다.

이 진동 발전 디바이스의 기판(25)은 SOI 기판을 사용하고 있고, SOI 기판은 아래에서부터 차례로 지지층(26)과 절연층(27)과 활성층(28)을 가진다. 여기서, 프레임부(11) 및 추부(12)는 지지층(26)과 절연층(27)과 활성층(28)을 주 구성요소로 하고, 휨부(13) 및 지지빔부(20)는 절연층(27)과 활성층(28)을 주 구성요소로 하여 구성하고 있다.

또, 진동 발전 디바이스는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(25)의 활성층(28) 측의 표면에 발전부(18)를 구비하고 있고, 활성층(28) 측의 표면을 일표면으로 하면, 상기 일표면에 프레임부(11)와 고착된 제1 커버 기판(29)을 가진다. 그리고, 진동 발전 디바이스는, 기판(25)의 지지층(26) 측의 표면을 타표면으로 하면, 상기 타표면에 프레임부(11)과 고착된 제2 커버 기판(30)을 가진다. 이들 제1 커버 기판(29) 및 제2 커버 기판(30)은 실리콘이나 유리 등을 사용하여 형성한다. 이와 같이, 진동 발전 디바이스는 기판(25)과 제1 커버 기판(29)과 제2 커버 기판(30)을 사용하여 구성되어 있다.

이하, 본 실시형태에서의 진동 발전 디바이스에 대하여 구체적으로 상세하게 설명한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 프레임부(11)를 평면에서 보았을 때의 외형 형상은 직사각형 형상이다. 또, 프레임부(11)의 내측에 있는 추부(12) 및 휨부(13)를 평면에서 보았을 때의 외형 형상도 프레임부(11)의 외형 형상과 마찬가지로 직사각형 형상이다. 또, 휨부(13)의 상기 일표면 측에 형성된 발전부(18)를 평면에서 보았을 때의 외형 형상은, 휨부(13)의 외형 형상을 따라, 직사각형 형상이다. 또, 지지빔부(20)를 평면에서 보았을 때의 외형 형상은, 프레임부(11)와 추부(12)를 연결하고 접어 꺾은 구조를 포함하고 추부(12)의 요동을 제어할 수 있으면, 특히 형상의 한정은 없다. 또, 지지빔부(20)는 소정의 공진 주파수의 값에 따라 지지빔부(20)의 길이 또는 폭 L의 초기 형상을 결정하고 있다. 그리고, 여기서 말하는 초기 형상이란, 진동 발전 디바이스에 가속도 등의 외부로부터의 힘이 가해지지 않은 상태에서의 형상을 가리킨다. 또, 지지빔부(20)는, 초기 형상에 있어서, 추부(12)의 큰 진동 동작 측 가까이에 있는 추부(12)의 선단 가까이에 접속되어 있는 것이 바람직하지만, 구하는 공진 주파수의 값에 따라 발전부(18) 가까이에 형성하여도 상관없다.

또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 프레임부(11)는 길이와 폭을 가진다. 프레임부(11)는 그 길이를 따른 길이 방향을 가진다. 프레임부(11)는 길이 방향과 교차하는 폭방향을 따른 폭을 가진다. 프레임부(11)는 제1 지지부(111)와 제2 지지부(112)를 가진다. 제1 지지부(111)는 프레임부(11)의 길이 방향의 일단에 위치하고 있고, 제2 지지부(112)는 프레임부(11)의 길이 방향의 타단에 위치하고 있다. 또, 프레임부(11)는, 그 폭방향의 일단에 제1 폭방향 단부(113)를 가지고, 그 폭방향의 타단에 제2 폭방향 단부(114)를 가진다.

그리고, 휨부(13)는 제1 지지부(111)에 대하여 장착되어 있다. 바꾸어 말하면, 휨부(13)는 제1 지지부(111)에 지지되어 있다. 그리고, 휨부(13)는, 추부(12)가 프레임부(11)의 내측에 위치하도록 추부(12)를 지지한다.

더욱 상세하게 설명하면, 추부(12)는 길이 및 폭을 가진다. 추부(12)의 길이는 프레임부(11)의 길이 방향을 따라 형성되어 있다. 추부(12)의 폭은 프레임부(11)의 길이 방향에 교차하는 방향을 따라 형성되어 있다. 추부(12)는 그 길이 방향의 일단에 제1 단(121)을 가지고, 그 길이 방향의 타단에 제2 단(122)을 가진다. 추부(12)의 제1 단(121)은 제1 지지부(111)와, 상기 휨부(13)에 의해 연결되어 있다. 지지빔부(20)는 프레임부(11)와 추부(12)의 제2 단(122)을 연결하도록 구성되어 있다.

또, 추부(12)는, 그 폭방향의 일단에 제1 폭방향 단부(123)를 가지고, 그 폭방향의 타단에 제2 폭방향 단부(124)를 가진다. 추부(12)의 제1 폭방향 단부(123)는, 추부(12)에서 보아, 프레임부(11)의 제1 폭방향 단부(113)와 같은 쪽에 위치한다. 추부(12)의 제2 폭방향 단부(124)는, 추부(12)에서 보아, 프레임부(11)의 제2 폭방향 단부(114)와 같은 쪽에 위치한다. 추부(12)의 제1 폭방향 단부(123)는 제1 간극(101)을 통하여 프레임부(11)의 제1 폭방향 단부(113)와 이격되어 있다. 추부(12)의 제2 폭방향 단부(124)는 제2 간극(102)을 통하여 프레임부(11)의 제2 폭방향 단부(114)와 이격되어 있다.

그리고, 이 진동 발전 디바이스는, 휨부(13)의 상기 일표면에 발전부(18)를 구비하고 있다. 발전부(18)는 휨부(13)의 상기 일표면 측에서부터 차례로 하부 전극(15), 압전층(16), 상부 전극(17)이 적층되어 있다. 또, 휨부(13)의 상기 일표면 측에는, 하부 전극(15) 및 상부 전극(17) 각각에 연결되고, 금속 배선으로 이루어지는 접속 배선(31a, 31c)이 형성되어 있다. 또, 휨부(13)의 상기 일표면 측에는, 접속 배선(31a, 31c)을 통하여 전기적으로 접속된 하부 전극용 패드(32a)와 상부 전극용 패드(32c)가 형성되어 있다.

발전부(18)에서는, 하부 전극(15)의 평면 사이즈가 가장 크고, 두 번째로 압전층(16)의 평면 사이즈가 크고, 상부 전극(17)의 평면 사이즈가 가장 작도록 설계하고 있다. 본 실시형태에서는, 평면에서 볼 때, 하부 전극(15)의 외주선의 내측에 압전층(16)이 위치하고, 압전층(16)의 외주선의 내측에 상부 전극(17)이 위치한다.

또, 본 실시형태의 공진 주파수 조절 수단에서, 지지빔부(20)는, 초기 형상에 있어서, 추부(12)의 상기 선단 가까이에 2개의 지지빔부(20)를 대칭적으로 구비한다. 또, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 이 지지빔부(20)는, 복수 회 접어 꺾음으로써 스프링 형태의 구조를 가지고, 소정의 공진 주파수의 값에 따라, 그 접어 꺾은 부분의 회수를 증감시켜 형성하고 있다. 또, 그 스프링 형태의 구조는, 지지빔부(20)의 변의 길이, 또는 지지빔부(20)의 변의 폭을 변경하여 형성함으로써, 구하는 공진 주파수의 값으로 설정한다. 또, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 그 접어 꺾은 구조는, 추부(12)의 진동 시에 응력이 집중되는 접어 꺾은 부분의 내연(內緣)에 R를 갖도록 형성한다. 그리고, 접어 꺾은 부분의 외연(外緣)도, 내연과 마찬가지로 R를 갖도록 형성해도 된다.

지지빔부(20)는, 스프링 형태의 구조를 갖지만, 이것을 다른 관점으로부터 설명하면, 지지빔부(20)는 대편(21)과 연결편(22)을 가진다. 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 대편(21)은 추부(12)의 제2 단(122)에서 프레임부(11)의 제1 지지부(111)를 향해 연장되어 있다. 대편(21)은 접속 부분을 가진다. 이 접속 부분은 추부(12)의 제2 단(122)과 프레임부(11)의 제1 지지부(111) 사이에 위치하고 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 대편(21)은 제1 단(211)과 제2 단(212)을 가진다. 대편(21)의 제2 단(212)은 대편(21)의 제1 단(211)과 반대 측에 위치하고 있다. 대편(21)의 제2 단(212)은 추부(12)의 제2 단(122)과 접속되어 있다.

연결편(22)은 접속 부분과 프레임부(11)를 연결하도록 형성되어 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 연결편(22)은 접속 부분과 프레임부(11)의 제2 지지부(112)를 연결하도록 형성되어 있다. 또한, 더욱 상세하게 설명하면, 연결편(22)의 일단은 대편(21)의 제1 단(211)과 접속되어 있고, 연결편(22)의 타단은 프레임부(11)의 제2 지지부(112)와 접속되어 있다.

그리고, 연결편(22) 및 대편(21)은 제1 폭방향 단부(123)와 프레임부(11) 사이의 간극에 위치하고 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 연결편(22) 및 대편(21)은 제1 폭방향 단부(123)와 프레임부(11)의 제1 폭방향 단부(113) 사이의 간극(101)에 배치되어 있고, 제2 폭방향 단부(124)와 프레임부(11)의 제2 폭방향 단부(114) 사이의 간극(102)에 배치되어 있고, 또, 도 4에 나타낸 바와 같이, 발전부(18)는, 휨부(13)의 상기 일표면 측에 형성된 하부 전극(15)과 하부 전극(15)에서의 휨부(13) 측과는 반대로 형성된 압전층(16)과, 압전층(16)에서의 하부 전극(15) 측과는 반대로 형성된 상부 전극(17)을 가진다. 또한, 적어도 프레임부(11)와 휨부(13)의 경계에서 추부(12)와 휨부(13)의 경계까지, 발전부(18)는 형성되어 있다. 그리고, 발전부(18)가 프레임부(11)와 휨부(13)의 경계에 갖추어져 있는 것이, 발전부(18)에 진동해도 발전에 기여하지 않는 부분이 존재하지 않고, 발전량의 향상을 도모하므로 바람직하다. 기판(25)의 상기 일표면 측에는, 상부 전극(17)에 전기적으로 접속되는 접속 배선(31c)과 하부 전극(15)과의 단락 방지용의 절연부(35)가, 하부 전극(15) 및 압전층(16) 각각에서의 프레임부(11) 측의 단부를 덮는 형태로 형성되어 있다.

그리고, 절연부(35)는 실리콘 산화막에 의해 구성하고 있지만, 실리콘 산화막에 한정되지 않고, 실리콘 질화막에 의해 구성해도 된다. 또, 기판(25)과 하부 전극(15) 사이에 MgO층으로 이루어지는 시드층(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 또, 실리콘 기판(25)의 상기 일표면 측 및 상기 타표면 측에는, 실리콘 산화막(36, 37)이 형성되어 있다.

또, 제1 커버 기판(29)은, 기판(25) 측의 일표면 측에, 추부(12) 및 휨부(13)로 이루어지는 가동부의 변위 공간을 형성하고, 그 변위 공간을 제1 오목부(38)로 하고 있다.

제1 커버 기판(29)은, 제1 커버 기판(29) 타표면 측에, 발전부(18)에서 발생한 교류 전압을 외부로 공급하기 위한 출력용 전극(40, 40)을 형성하고 있다. 각 출력용 전극(40, 40)은 제1 커버 기판(29)의 일표면 측에 형성된 연락용 전극(41, 41)과 제1 커버 기판(29)의 두께 방향으로 관통 설치된 관통 구멍 배선(42, 42)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 제1 커버 기판(29)은, 각 연락용 전극(41, 41)이 기판(25)의 하부 전극용 패드(32a), 상부 전극용 패드(32c)와 접합되어 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 각 출력용 전극(40, 40) 및 각 연락용 전극(41, 41)을 Ti막과 Au막의 적층막에 의해 구성하고 있지만, 이들의 재료나 층 구조는 특히 한정하는 것은 아니다. 또, 각 관통 구멍 배선(42, 42)의 재료로서는 Cu를 채용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, Ni, Al 등을 채용해도 된다.

본 실시형태에서는, 제1 커버 기판(29)으로서 실리콘을 사용한 기판을 사용하는 경우, 제1 커버 기판(29)은, 2개의 출력용 전극(40, 40)끼리의 단락을 방지하기 위한 실리콘 산화막으로 이루어지는 절연막(43)이, 제1 커버 기판(29)의 상기 일표면 측 및 상기 타표면 측과 관통 구멍 배선(42, 42)이 내측에 형성된 관통 구멍(44, 44)의 내주면에 걸쳐 형성되어 있다. 그리고, 제1 커버 기판(29)으로서 유리를 사용한 기판과 같은 절연성 기판을 사용하는 경우에는, 이와 같은 절연막(43)은 설치할 필요가 없다.

또, 제2 커버 기판(30)은, 기판(25)측의 일표면 측에, 추부(12) 및 휨부(13)로 이루어지는 가동부의 변위 공간을 형성하고, 그 변위 공간을 제2 오목부(39)로 하고 있다. 그리고, 제2 커버 기판(30)은, 유리 기판과 같은 절연성 기판을 사용해도 된다.

또, 전술한 기판(25)의 상기 일표면 측에는 제1 커버 기판(29)과 접합하기 위한 제1 접합용 금속층(46)이 형성되어 있고, 제1 커버 기판(29)에는 제1 접합용 금속층(46)에 접합되는 제2 접합용 금속층(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 여기서, 제1 접합용 금속층(46)의 재료로서는, 하부 전극용 패드(32a), 상부 전극용 패드(32c)와 같은 재료를 채용하고 있고, 제1 접합용 금속층(46)은 기판(25)의 일표면 상에 하부 전극용 패드(32a), 상부 전극용 패드(32c)와 같은 두께로 형성되어 있다.

기판(25)과 제1 커버 기판(29)과 제2 커버 기판(30)은 상온 접합법에 의해 접합하고 있지만, 상온 접합법에 한정되지 않고, 예를 들면, 양극(陽極) 접합법이나, 에폭시 수지 등을 사용한 수지 접합법 등에 의해 접합해도 된다. 그리고, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스는 MEMS 디바이스의 제조 기술 등을 이용하여 형성되어 있다.

이상, 설명한 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서는, 발전부(18)가 하부 전극(15)과 압전층(16)과 상부 전극(17)으로 구성되어 있으므로, 휨부(13)의 진동에 의해 압전층(16)이 응력을 받아 하부 전극(15)과 상부 전극(17)에 전하의 편향이 발생하고, 발전부(18)에서 교류 전압이 발생한다. 또, 이때, 지지빔부(20)는, 추부(12)가 지나치게 진동하는 것을 제어하는 기능을 한다.

여기서, 진동 발전 디바이스의 압전층(16)에 사용되는 압전 재료의 비유전률을ε, 발전 지수를 P라고 하면, P∝e31²/ε의 관계가 성립되어, 발전 지수 P가 클수록 발전 효율이 커지게 된다. 진동 발전 디바이스에 사용되는 대표적인 압전 재료인 PZT 및 AlN 각각의 압전 정수 e31, 비유전률ε의 일반적인 값에서 보아, 발전 지수 P에 제곱으로 작용하는 압전 정수 e31가 큰 PZT를 채용한 쪽이 발전 지수 P를 크게 할 수 있다. 본 실시형태에서의 진동 발전 디바이스는, 압전층(16)의 압전 재료로서, 납계 압전 재료의 일종인 PZT를 채용하고 있지만, 납계 압전 재료는 PZT에 한정되지 않고, 예를 들면, PZT-PMN(:Pb(Mn, Nb)O₃)나 그 외의 불순물을 첨가한 PZT를 채용해도 된다. 단, 압전층(16)의 압전 재료는, 납계 압전 재료에 한정되지 않고, 다른 압전 재료를 채용해도 된다.

이하, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스의 제조 방법에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명하지만, 도 5의 (a) 내지(g)는, 도 1의 A-A′단면에 대응하는 부위를 나타내고 있다.

먼저, 실리콘을 사용하여 형성되는 실리콘 기판(25)의 상기 일표면 측과 상기 타표면 측에 실리콘 산화막(36, 37)을 열산화법 등에 의해 형성하는 절연막 형성 공정을 행함으로써, 도 5의 (a)에 나타낸 구조를 얻는다.

그 후, 기판(25)의 상기 일표면의 전면(全面)에 하부 전극(15), 접속 배선(31a) 및 하부 전극용 패드(32a)의 기초가 되는 Pt층으로 이루어지는 금속층(50)을 스퍼터법이나 CVD법 등에 의해 형성하는 금속층 형성 공정을 행한다. 이어서, 기판(25)의 상기 일표면의 전면에 압전 재료(예를 들면, PZT 등)로 이루어지는 압전층(16)의 기초가로 되는 압전막(51)(예를 들면, PZT막 등)을 스퍼터법이나 CVD법이나 졸겔법 등에 의해 형성하는 압전막 형성 공정을 행함으로써 도 5의 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 금속층(50)은, Pt층에 한정되지 않고, 예를 들면, Al층이나 Al-Si층이라도 되고, Pt층과 그 Pt층과 시드층 사이에 개재하는 밀착성 개선용의 Ti층으로 구성해도 된다. 여기서 밀착층의 재료는 Ti에 한정되지 않고, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN 등이라도 된다.

전술한 압전막 형성 공정 후에, 압전막(51)을 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝하고, 압전막(51)의 일부로 이루어지는 압전층(16)을 형성하는 압전막 패터닝 공정을 행함으로써, 도 5의 (c)에 나타낸 구조를 얻는다.

그 후, 전술한 금속층(50)을 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝하고, 각각 금속층(50)의 일부로 이루어지는 하부 전극(15), 접속 배선(31a), 하부 전극용 패드(32a)를 형성하는 금속층 패터닝 공정을 행함으로써, 도 5의 (d)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 본 실시형태의 금속층 패터닝 공정에서는 금속층(50)을 패터닝함으로써, 하부 전극(15)과 함께 접속 배선(31a) 및 하부 전극용 패드(32a)를 형성하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 금속층 패터닝 공정에서 금속층(50)을 패터닝함으로써 하부 전극(15)만을 형성하도록 하고, 그 후, 접속 배선(31a) 및 하부 전극용 패드(32a)를 형성하는 배선 형성 공정을 별도로 설치해도 된다. 또, 접속 배선(31a)을 형성하는 접속 배선 형성 공정과 하부 전극용 패드(32a)를 형성하는 하부 전극용 패드 형성 공정을 별개로 설치해도 된다. 또, 금속층(50)을 에칭할 때는, 예를 들면, RIE법이나 이온 밀링법 등을 채용하면 된다.

전술한 금속층 패터닝 공정에 의해 하부 전극(15), 접속 배선(31a), 및 하부 전극용 패드(32a)를 형성한 후, 기판(25)의 상기 일표면 측에 절연부(35)를 형성하는 절연부 형성 공정을 행함으로써, 도 5의 (e)에 나타낸 구조를 얻는다. 절연부 형성 공정에서는, 기판(25)의 상기 일표면 측의 전면에 절연층을 CVD법 등에 의해 성막하고 나서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝하고 있지만, 리프트 오프법을 이용하여 절연부(35)를 형성하도록 해도 된다.

전술한 절연부 형성 공정 후에, 상부 전극(17)을 예를 들면, EB 증착법이나 스퍼터법이나 CVD법 등의 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 에칭 기술을 이용하여 형성하는 상부 전극 형성 공정과 동시에, 접속 배선(31c) 및 상부 전극용 패드(32c)를 EB 증착법이나 스퍼법이나 CVD법 등의 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 에칭 기술을 이용하여 형성하는 배선 형성 공정을 행함으로써, 도 5의 (f)에 나타낸 구조를 얻는다. 다시 말해, 본 실시형태에서는, 상부 전극 형성 공정에서, 상부 전극(17)과 함께 접속 배선(31c) 및 상부 전극용 패드(32c)를 형성하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 상부 전극 형성 공정과 배선 형성 공정을 별개로 행하도록 해도 된다. 또, 배선 형성 공정에 대해서도, 접속 배선(31c)을 형성하는 접속 배선 형성 공정과 상부 전극용 패드(32c)를 형성하는 상부 전극용 패드 형성 공정을 별개로 설치해도 된다. 그리고, 상부 전극(17)의 에칭은, RIE법 등의 건식 에칭이 바람직하지만, 습식 에칭이라도 되고, 예를 들면, Au막을 옥화칼륨 수용액, Ti막을 과산화수소수에 의해 습식 에칭하면 된다. 그리고, 상부 전극(17)은 Pt나 Al나 Al-Si 등을 사용하여 구성되어 있다.

전술한 바와 같이 하여 상부 전극(17), 접속 배선(31c), 상부 전극용 패드(32c)를 형성한 후, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여 프레임부(11)와 추부(12)와 휨부(13)과 지지빔부(20)를 형성하는 기판 가공 공정을 행함으로써, 도 5의 (g)에 나타낸 구조를 얻는다. 여기서, 기판 가공 공정에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여, 기판(25)의 상기 일표면 측으로부터 절연층(27)에 이를 때까지, 기판(25) 중 프레임부(11), 추부(12), 휨부(13), 및 지지빔부(20) 이외의 부위를 에칭함으로써 표면홈을 형성하는 표면홈 형성 공정을 행한다. 이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여 기판(25)을 상기 타표면 측으로부터 절연층(27)에 이를 때까지, 프레임부(11) 및 추부(12) 이외의 부위를 에칭함으로써, 이면홈을 형성하는 이면홈 형성 공정을 행한다. 이어서, 절연층(27)을 에칭함으로써, 표면홈과 이면홈을 연결하여 통하게 하고, 또, 프레임부(11), 추부(12), 휨부(13), 및 지지빔부(20)를 형성한다. 이 에칭 공정을 행함으로써, 도 5의 (g)에 나타낸 구조의 발전 디바이스를 얻는다.

그런데, 본 실시형태에서는, 기판 가공 공정의 표면홈 형성 공정 및 이면홈 형성 공정에서, 수직으로 깊게 팔 수 있는 유도 결합 플라즈마(ICP)형의 에칭 장치를 사용하여 기판(25)을 에칭하므로, 휨부(13)의 이면과 프레임부(11)의 내측면이 이루는 각도를 대략 90도로 할 수 있다. 그리고, 기판 가공 공정의 표면홈 형성 공정 및 이면홈 형성 공정은, ICP형의 건식 에칭 장치를 사용한 건식 에칭에 한정되지 않고, 이방성이 높은 에칭이 가능하면 되고, 다른 건식 에칭 장치를 사용해도 된다. 또, 기판(25)의 상기 일표면이 (110)면인 경우에는, TMAH 수용액이나 KOH 수용액 등의 알칼리계 용액을 사용한 습식 에칭(결정 이방성 에칭)이라도 된다.

그리고, 본 실시형태의 발전 디바이스는, 기판 가공 공정이 종료될 때까지를 웨이퍼 레벨로 행하고 나서, 다이싱 공정을 행함으로써 개개의 진동 발전 디바이스로 분할하도록 하고 있다.

본 실시형태에서는, 제1 커버 기판(29)과 제2 커버 기판(30)을 구비하고 있으므로, 전술한 휨부(13)를 형성하는 에칭 공정 후, 각 커버 기판(29, 30)을 접합하는 커버 접합 공정을 행한다. 이 경우, 커버 접합 공정이 종료될 때까지 웨이퍼 레벨로 행하고 나서, 다이싱 공정을 행함으로써 개개의 발전 디바이스로 분할하면 된다. 여기서, 각 커버 기판(29, 30)은 포토리소그래피 공정, 에칭 공정, 박막 형성 공정, 도금 공정 등의 주지의 공정을 적당히 적용하여 형성하면 된다.

그런데, 발전부(18)에서는, 하부 전극(15) 상에 압전층(16)을 형성하고 있지만, 하부 전극(15)와 압전층(16) 사이에, 압전층(16)의 성막 시의 베이스부가 되는 버퍼층(도시라지 않음)을 개재시킴으로써, 압전층(16)의 결정성을 더욱 향상시켜도 된다. 버퍼층의 재료로서는, 도전성 산화물 재료의 일종인 SrRuO₃, (Pb, Ra)TiO₃, PbTiO₃ 등을 채용하면 된다.

따라서, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서는, 프레임부(11)와 추부(12) 사이에는, 공진 주파수 조절 수단을 구비한다. 이로써, 진동 발전 디바이스는, 초기 형상에서, 공진 주파수를 소정 값으로 조절하여 형성할 수 있다.

또, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서, 공진 주파수 조절 수단은, 휨부(13)와는 별도로 구비한 프레임부(11)와 추부(12)를 연결하는 지지빔부(20)로 구성되며, 지지빔부(20)의 형상을 변경함으로써 공진 주파수를 조절한다. 이로써, 진동 발전 디바이스는, 초기 형상에서, 공진 주파수를 소정 값으로 조절하여 형성할 수 있다. 또한, 과대한 가속도가 진동 발전 디바이스에 가해졌을 때, 추부(12)의 변위가 급확대되어, 진동 발전 디바이스가 파손되는 것을 억제할 수 있다.

그리고, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서, 공진 주파수 조절 수단은, 프레임부(11)와 휨부(13)와 추부(12)가 정렬된 방향과, 상기 휨부와 상기 추부의 두께 방향을 포함하는 면 내에서, 지지빔부(20)를 대칭적으로 형성하고 있다. 이것은, 초기 형상에서, 지지빔부(20)를 대칭적인 지지 상태로 함으로써, 진동 발전 디바이스의 진동 특성에 영향을 쉽게 미치지 않고, 진동 상태의 안정성을 향상시킨다.

또, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서, 지지빔부(20)는, 프레임부(11)와 추부(12) 사이에서 복수 회 접어 꺾은 스프링 형태의 구조를 가진다. 이것은, 진동 발전 디바이스에 걸리는 가속도에 의해 진동하는 추부(12)의 진폭을 제한하고, 진동 발전 디바이스의 파손을 억제할 수 있다. 접어 꺾은 부분의 회수에 의해, 초기 형상에서, 공진 주파수를 소정 값으로 조절하여 진동 발전 디바이스를 형성할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서, 스프링 형태의 구조는, 접어 꺽은 부분에 R를 가진다. 이로써, 지지빔부(20)는 응력 집중을 완화하고, 내 가속도성을 향상시킨다.

또한, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서, 공진 주파수 조절 수단은 지지빔부(20)의 변의 길이를 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절하여 진동 발전 디바이스를 형성한다. 이로써, 지지빔부(20)의 길이의 초기 형상을 변경하여 형성하는 것만으로, 공진 주파수를 간단하게 변경할 수 있는 진동 발전 디바이스를 제작할 수 있다.

또, 본 실시형태의 진동 발전 디바이스에서, 공진 주파수 조절 수단은, 지지빔부(20)의 변의 폭을 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절하여, 진동 발전 디바이스를 형성한다. 이로써, 지지빔부(20)의 폭의 초기 형상을 변경하여 형성하는 것만으로, 공진 주파수를 간단하게 변경할 수 있는 진동 발전 디바이스를 제작할 수 있다.

그리고, 이 진동 발전 디바이스는, 지지빔부(20)를 구비함으로써, 습식 에칭이나 레지스트 제거 시의 딥 공정 등으로, 취약한 휨부(13)에 하중이 걸려 파손되는 것을 억제하고, 휨부(13)의 파손을 억제한다. 또, 얇게 가공한 휨부(13)가 발전부(18)의 압전층(16)의 잔류 응력이나 추부(12)의 중력의 영향만으로 비틀리는 것을 억제한다.

또, 프레임부(11)는, 길이를 가진다. 프레임부(11)는 길이 방향의 일단에 제1 지지부(111)를 가지고, 상기 길이 방향의 타단에 제2 지지부(112)를 가진다. 휨부(13)는 상기 제1 지지부(111)에 지지되어 있다. 휨부(13)는, 상기 추부(12)가 상기 프레임부(11)의 내측에 위치하도록, 상기 추부(12)를 지지하고 있다.

또, 추부(12)는 길이를 가진다. 추부(12)는 그 길이 방향의 일단에 제1 단(121)을 가지고, 그 길이 방향의 타단에 제2 단(122)을 가진다. 추부(12)의 상기 제1 단(121)은 상기 제1 지지부(111)와, 상기 휨부(13)에 의해 연결되어 있다. 지지빔부(20)는 상기 프레임부(11)와 상기 추부(12)의 제2 단(122)을 연결하고 있다.

또, 지지빔부(20)는 대편(21)과 연결편(22)을 가진다. 상기 대편(21)은 상기 추부(12)의 상기 제2 단(122)에서부터 상기 프레임부(11)의 제1 지지부(111)를 향해 연장되어 있다. 대편(21)은 접속 부분을 가진다. 접속 부분은, 상기 추부(12)의 상기 제2 단(122)과 상기 프레임부(11)의 제1 지지부(111) 사이에 위치하고 있다. 연결편(22)은 상기 접속 부분과 상기 프레임부(11)를 연결하도록 형성되어 있다. 이로써, 진동 발전 디바이스에 걸리는 가속도에 의해 진동하는 추부(12)의 진폭은 제한된다. 더욱 구체적으로 설명하면, 진동 발전 디바이스에 걸리는 가속도에 의해 진동하는 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진동은 제한된다. 따라서, 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진폭이 제한된다. 따라서, 진동 발전 디바이스의 파손을 억제할 수 있다.

또, 연결편(22)은 상기 접속 부분과 상기 프레임부(11)의 제2 지지부(112)를 연결하도록 형성되어 있다. 이로써, 진동 발전 디바이스에 걸리는 가속도에 의해 진동하는 추부(12)의 진폭은 제한된다. 더욱 구체적으로 설명하면, 진동 발전 디바이스에 걸리는 가속도에 의해 진동하는 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진동은 제한된다. 따라서, 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진폭이 제한된다. 따라서, 진동 발전 디바이스의 파손을 억제할 수 있다.

또, 추부(12)는 폭을 가진다. 추부(12)는, 그 폭방향의 일단이 제1 폭방향 단부(123)로서 정의된다. 제1 폭방향 단부(123)는 제1 간극(101)에 의해 상기 프레임부(11)과 이격되어 있다. 지지빔부(20)는 상기 제1 간극(101)에 배치되어 있다. 이로써, 지지빔부(20)는, 추부(12)가 추부(12)의 폭방향에 따른 방향으로 진동하는 것을 방해한다. 그 결과, 추부(12)의 폭방향을 따라 휨부(13)에 대하여 가해지는 힘을 저감할 수 있다. 즉, 휨부(13)의 파손을 방지할 수 있다.

또, 대편(21)은 제1 단(211)과 제2 단(212)을 가진다. 대편(21)의 제2 단(212)은 대편(21)의 제1 단(211)과 반대 측에 위치하고 있다. 대편(21)의 상기 제2 단(212)은 상기 추부(12)의 제2 단(122)과 접속되어 있다. 연결편(22)의 일단은 상기 대편(21)의 제1 단(211)과 접속되어 있고, 타단은 상기 프레임부(11)의 제2 지지부(112)와 접속되어 있다. 따라서, 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진폭이 제한된다. 따라서, 진동 발전 디바이스의 파손을 억제할 수 있다.

또, 제1 간극(101)에 배치되어 있는 상기 지지빔부(20)는, 상기 제2 간극(102)에 배치되어 있는 상기 지지빔부(20)와, 상기 추부(12)에 대하여 대칭이다. 따라서, 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진폭이 제한된다. 따라서, 진동 발전 디바이스의 파손을 억제할 수 있다.

또, 프레임부(11)는 폭방향의 일단에 제1 폭방향 단부(113)를 가지고, 폭방향의 타단에 제2 폭방향 단부(114)를 가진다. 추부(12)는 폭방향의 일단에 제1 폭방향 단부(123)를 가지고, 폭방향의 타단에 제2 폭방향 단부(124)를 가진다. 프레임부(11)의 제1 폭방향 단부(113)는 추부(12)에서 보아, 추부(12)의 제1 폭방향 단부(123)와 같은 측에 위치한다. 프레임부(11)의 제2 폭방향 단부(114)는 추부(12)에서 보아, 추부(12)의 제2 폭방향 단부(124)와 같은 측에 위치한다. 추부(12)의 제1 폭방향 단부(123)는,제1 간극(101)에 의해 프레임부(11)의 제1 폭방향 단부(113)와 이격되어 있다. 추부(12)의 제2 폭방향 단부(124)는 제2 간극(102)에 의해 프레임부(11)의 제2 폭방향 단부(114)와 이격되어 있다. 지지빔부(20)는 복수의 지지빔부(20)로 구성되어 있다. 지지빔부(20) 중 하나는 상기 제1 간극(101)에 배치되어 있고, 상기 지지빔부(20) 중 다른 하나는, 상기 제2 간극(102)에 배치되어 있다. 따라서, 추부(12)의, 프레임부(11)의 두께 방향에 따른 진폭이 제한된다. 따라서, 진동 발전 디바이스의 파손을 억제할 수 있다.

그리고, 실시형태에서는, 진동 발전 디바이스는 2개의 지지빔부(20)를 가진다. 그러나, 이 수는 2개에 한정되지 않는다. 1개라도 되고, 또, 3개 이상이라도 된다. 즉, 지지빔부(20)의 수는 1개 이상 있으면 된다.

11: 프레임부
12: 추부
13: 휨부
15: 하부 전극
16: 압전층
17: 상부 전극
18: 발전부
20: 지지빔부
25: 기판
29: 제1 커버 기판
30: 제2 커버 기판
31a, 31c: 접속 배선
32a: 하부 전극용 패드
32c: 상부 전극용 패드
40: 출력용 전극
46: 제1 접합용 금속

Claims

프레임부, 상기 프레임부의 내측에 설치된 추부, 상기 프레임부와 상기 추부 사이를 연결하고 상기 추부가 진동함으로써 휘는 휨부, 및 상기 휨부의 한쪽 표면에 하층에서부터 하부 전극과 압전층과 상부 전극이 차례로 적층되고 상기 추부의 요동에 따라 교류 전압을 발생하는 발전부를 포함하는 진동 발전 디바이스로서,
상기 프레임부와 상기 추부 사이에는, 공진 주파수 조절 수단을 포함하고,
상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 휨부와는 별도로 구비한 상기 프레임부와 상기 추부를 연결하는 지지빔부에 의해 구성되며, 상기 지지빔부의 초기 형상을 변경함으로써 공진 주파수를 조절하는, 진동 발전 디바이스.
삭제
제1항에 있어서,
상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 프레임부와 상기 휨부와 상기 추부가 정렬된 방향과, 상기 휨부와 상기 추부의 두께 방향을 포함하는 면 내에서, 상기 지지빔부를 대칭적으로 구비하는, 진동 발전 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 지지빔부는 상기 프레임부와 상기 추부 사이에서 복수 회 접어 꺾은 스프링 형태의 구조인, 진동 발전 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 스프링 형태의 구조는 접어 꺾은 부분에 R를 가지는, 진동 발전 디바이스.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 지지빔부의 변의 길이를 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절하는, 진동 발전 디바이스.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진 주파수 조절 수단은, 상기 지지빔부의 변의 폭을 변경함으로써 공진 주파수를 소정 값으로 조절하는, 진동 발전 디바이스.
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