KR101466781B1 - 진동 발전 소자 및 이를 구비한 진동 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

진동 발전 소자는, 지지부 및 캔틸레버부를 포함하는 베이스 기판과, 캔틸레버부의 진동에 따라 교류 전력을 발생하기 위한 발전부를 포함한다. 발전부는, 캔틸레버부과 중첩되도록 베이스 기판의 일표면 측에 형성된 하부 전극, 캔틸레버부에서 볼 때 하부 전극의 반대 측에 형성된 제1 압전층, 하부 전극에서 볼 때 제1 압전층의 반대 측에 형성된 중간 전극, 제1 압전층에서 볼 때 중간 전극의 반대 측에 형성된 제2 압전층, 및 중간 전극에서 볼 때 제2 압전층의 반대 측에 형성된 상부 전극을 포함한다.

Description

진동 발전 소자 및 이를 구비한 진동 발전 장치 {VIBRATION POWER GENERATION ELEMENT AND VIBRATION POWER GENERATION DEVICE PROVIDED WITH SAME}
본 발명은 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 진동 발전 소자 및 이를 구비한 진동 발전 장치에 관한 것이다.
최근, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 디바이스의 일종으로서, 차의 진동이나 사람의 동작에 의한 진동 등의 주위의 진동에 기인한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 진동 발전 소자가 여러 곳에서 연구개발되어 있다.
이 종류의 진동 발전 소자로서, 예를 들면, 도 8의 A에 나타낸 바와 같이, Si로 이루어지는 베이스 기판(81)의 지지부(82a)에 제1 단 측이 고정되고 제2 단 측이 베이스 기판(81)과 공간을 두고 요동 가능하게 지지되는 캔틸레버부(가요부, 可撓部)(82b)와, 캔틸레버부(82b) 상에 형성되고 캔틸레버부(82b)의 진동에 따라 교류 전력을 발생하도록 구성되는 발전부(83)를 구비한 것이 알려져 있다(예를 들면, Y.B.Jeon, et al, "MEMS power generator with transverse mode thin film PZT", Sensors and Actuators A 122, 16-22, 2005 (이하 "문헌 1"이라고 함).
도 8의 A에 나타낸 진동 발전 소자(810)에서는, 캔틸레버부(82b)가, SiO2나 Si3N4로 이루어지는 박막(86)과, 이 박막(86) 상에 형성되고 발전부(83)로부터의 전하의 확산을 방지하는 확산 방지층(87)(여기서는, ZrO2)을 구비한 구성으로 되어 있다.
또한, 확산 방지층(87) 상의 발전부(83)는, PZT(Pb(Zr, Ti)O3)로 이루어지는 압전층(85)과, 압전층(85)의 일표면 측에 형성된 Pt/Ti로 이루어지는 한 쌍의 전극(84a, 84b)으로 구성되어 있다. 그리고, 압전층(85)은 변형 방향과 전계 방향이 직교하는 d33 모드를 이용한 구성으로 하고 있고, 한 쌍의 전극(84a, 84b)은, 평면에서 볼 때, 각각 빗 형상(comb shape)으로서, 미리 정해진(소정) 간격을 두고 서로 맞물리게 한 구조로 배치하고 있다(도 8의 B 참조). 또한, 진동 발전 소자(810)는 캔틸레버부(82b)의 제2 단 측의 표면 상에, 캔틸레버부(82b)의 요동이 증대되도록 추부(錘部)가 설치되어 있다.
진동 발전 소자(810)는, 진동에 의해 캔틸레버부(82b)가 요동함으로써, 발전부(83)의 압전층(85)이 압전층(85)의 두께 방향과 수직인 방향으로 분극(도 8의 A 중의 화살표 참조)되어 발전한 전력을 한 쌍의 전극(84a, 84b)으로부터 외부에 출력할 수 있다.
그런데, 상기 문헌 1에 기재된 진동 발전 소자(810)는, 캔틸레버부(82b)의 요동에 의해 발전부(83)가 발전한다. 그러므로, 진동 발전 소자(810)의 한 쌍의 전극(84a, 84b)으로부터 출력되는 전력은, 캔틸레버부(82b)의 요동에 따라 극성이 반전하는 교류 전력을 발생하게 된다.
이에 대하여, 진동 발전 소자(810)의 한 쌍의 전극(84a, 84b)에 접속되는 부하(RL)는, 일반적으로, 소형 전자 부품이나 LSI 등의 직류 전력을 필요로 하는 것이 상정되어 있다. 그러므로, 상기 문헌 1에서는, 진동 발전 소자(810)로부터 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록, 전술한 진동 발전 소자(810)를 사용하여 도 8의 C에 나타낸 진동 발전 장치(820)를 구성하고 있다.
진동 발전 장치(820)는, 진동 발전 소자(810)의 출력을 단상 전파(全波) 정류기(단상 브리지 정류 회로)인 정류기(D1)의 출력과 병렬로 커패시터(Cs)를 접속시키고, 커패시터(Cs)의 양단 사이에 부하(RL)를 접속시키고 있다. 이로써, 진동 발전 장치(820)는, 진동 발전 소자(810)의 출력을 교류 전력에서 직류 전력으로 변환하여, 한 쌍의 전극(84a, 84b)에 접속되는 부하(RL) 측에 출력할 수 있다. 그리고, 도 8의 C의 진동 발전 장치(820)에서는, 진동 발전 소자(810)를 교류 전원(Ip)과 교류 전원(Ip)에 병렬 접속된 커패시터(Cp)와 커패시터(Cp)에 병렬 접속된 저항(Rp)에 의한 등가 회로로 나타내고 있다.
그러나, 전술한 진동 발전 소자(810)로부터 인출되는 발생 전력은, 일반적으로 μW정도로 작다. 진동 발전 장치(820)는 진동 발전 소자(810)로부터 출력된 전류를 단상 전파 정류 회로부인 정류기(D1)를 통해 변환하면, 정류기(D1)를 구성하는 다이오드의 pn 접합부에서의 전압 하강에 의한 손실이 크게 영향을 미친다. 특히, 도 8의 C에 나타낸 진동 발전 장치(820)에서는, 진동 발전 소자(810)의 출력을 교류 전력에서 직류 전력으로 변환할 때, 단상 전파 정류기인 정류기(D1)의 2개의 다이오드를 통하여 진동 발전 소자(810)로부터의 전류가 출력되게 된다. 그러므로, 전술한 진동 발전 소자(810)를 사용한 진동 발전 장치(820)에서는, 발전 효율이 저하된다는 문제가 있다.
진동 발전 소자(810)는 더욱 소형이며 출력이 높은 것이 요구되고 있어, 단순히 진동 발전 소자(810)의 압전층(85)의 면적을 증대하여 출력을 향상시키는 구성으로 하는 것이 어렵다. 따라서, 전술한 진동 발전 소자(810)나 진동 발전 장치(820)의 구성만으로는 충분하지 않고, 한층 더 개량이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 사유를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 출력 전력이 더욱 높고 소형화가 가능한 진동 발전 소자 및 이를 구비한 진동 발전 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 진동 발전 소자는, 베이스 기판 및 발전부를 포함한다. 베이스 기판은, 지지부와, 상기 지지부에 요동 가능하게 지지된 캔틸레버부를 포함한다. 발전부는, 상기 캔틸레버부에 형성되고, 상기 캔틸레버부의 진동에 따라 교류 전력을 발생하도록 구성된다. 상기 발전부는, 하부 전극, 제1 압전층, 중간 전극, 제2 압전층 및 상부 전극을 포함한다. 하부 전극은, 상기 캔틸레버부와 중첩되도록 상기 베이스 기판의 일표면 측에 형성된다. 제1 압전층은, 상기 캔틸레버부에서 볼 때 상기 하부 전극의 반대 측에 형성된다. 중간 전극은, 상기 하부 전극에서 볼 때 상기 제1 압전층의 반대 측에 형성된다. 제2 압전층은, 상기 제1 압전층에서 볼 때 상기 중간 전극의 반대 측에 형성된다. 상부 전극은, 상기 중간 전극에서 볼 때 상기 제2 압전층의 반대 측에 형성된다.
일 실시예에서, 상기 제1 압전층 및 상기 제2 압전층 각각은, 강유전체 박막이다.
일 실시예에서, 상기 제1 압전층에서의 분극의 방향과 상기 제2 압전층에서의 분극의 방향은, 상기 발전부의 두께 방향에 있어서 동일 방향이다.
일 실시예에서, 상기 캔틸레버부는, 제1 단 및 제2 단을 가지고, 상기 제1 단 측에서 상기 지지부에 의해 상기 제2 단 측이 요동 가능하게 지지된다. 상기 발전부는, 상기 베이스 기판에서의 상기 캔틸레버부의 적어도 제1 단 측에 배치된다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은, 제1 변 및 제2 변이 다른 두 변보다 짧은 4개의 변을 가지고, 상기 지지부를 상기 제1 변으로서 포함하는 프레임부와, 상기 프레임부와 상기 캔틸레버부 사이에 형성된 개구를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 지지부는, 상기 캔틸레버부의 일표면이 상기 프레임부의 일표면과 동일 평면이 되어 함께 상기 베이스 기판의 상기 표면을 형성하도록, 상기 베이스 기판의 상기 표면 측에서 상기 캔틸레버부를 지지한다. 상기 개구는 U자 형상의 슬릿이다.
일 실시예에서, 상기 제1 압전층 및 제2 압전층은, 각각 상기 중간 전극의 양면에 직접 접합되어 있다.
일 실시예에서, 상기 중간 전극은, 1개 또는 복수의 도전층만으로 이루어진다.
본 발명의 진동 발전 장치는, 전술한 진동 발전 소자와, 2상 전파 정류기를 포함한다.
2상 전파 정류기는, 상기 상부 전극 및 하부 전극에 각각 전기적으로 접속되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자와, 공통 전극으로서의 상기 중간 전극에 전기적으로 접속되는 공통 단자를 포함하고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 출력되는 2상 교류를 직류로 변환하도록 구성된다.
본 발명에서는, 출력 전력이 더욱 높고 소형화가 가능해진다는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 기술한다. 본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 상세한 기술 및 첨부 도면에 관련하여 한층 잘 이해될 것이다.
도 1은 실시예의 진동 발전 소자를 나타내고, 도 1의 A는 개략 평면도, 도 1의 B는 도 1의 A의 X-X 개략 단면도이다.
도 2는 상기 진동 발전 소자를 사용한 진동 발전 장치의 회로도이다.
도 3은 상기 진동 발전 소자의 제조 방법을 설명하는 주요 단계를 나타낸 도면이다.
도 4는 상기 진동 발전 소자의 제조 방법을 설명하는 주요 단계를 나타낸 도면이다.
도 5는 상기 진동 발전 소자의 제조 방법을 설명하는 주요 단계를 나타낸 도면이다.
도 6은 상기 진동 발전 소자의 제조 방법을 설명하는 주요 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 상기 진동 발전 소자의 제조 방법을 설명하는 주요 단계를 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 진동 발전 소자를 나타내고, 도 8의 A는 단면도, 도 8의 B는 주요부 평면도, 도 8의 C는 진동 발전 소자를 사용한 진동 발전 장치의 회로도이다.
이하, 본 실시예의 진동 발전 소자에 대해 도 1을 사용하여 설명하고, 도 2를 사용하여 진동 발전 소자(10)를 사용한 진동 발전 장치(20)에 대하여 설명한다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 베이스 기판(1) 및 발전부(3)를 포함한다. 베이스 기판(1)은 지지부(2a)와, 지지부(2a)의 내측에 배치되고 지지부(2a)에 요동 가능하게 지지된 가요성의 캔틸레버부(2b)를 포함한다. 발전부(3)는 베이스 기판(1)의 일표면(제1 표면)(1b) 측에서의 캔틸레버부(2b)에 형성되고 캔틸레버부(2b)의 진동에 따라 교류 전력을 발생하도록 구성된다.
특히, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서, 발전부(3)는 하부 전극(4a), 제1 압전층(5a), 중간 전극(4b), 제2 압전층(5b) 및 상부 전극(4c)을 가지고 있다. 하부 전극(4a)은, 캔틸레버부(2b)와 중첩되도록 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에 형성되어 있다. 제1 압전층(5a)은, 캔틸레버부(2b)에서 볼 때, 하부 전극(4a)의 반대 측에 형성되어 있다. 중간 전극(4b)은, 하부 전극(4a)에서 볼 때, 제1 압전층(5a)의 반대 측에 형성되어 있다. 제2 압전층(5b)은, 제1 압전층(5a)에서 볼 때, 중간 전극(4b)의 반대 측에 형성되어 있다. 상부 전극(4c)은, 중간 전극(4b)에서 볼 때, 제2 압전층(5b)의 반대 측에 형성되어 있다.
도 1의 A 및 B의 예에서는, 캔틸레버부(2b)는, 제1 단(2b1) 및 제2 단(2b2) 을 가지고, 제1 단(2b1) 측에서 지지부(2a)에 의해 제2 단(2b2) 측이 요동 가능하게 지지되어 있다. 발전부(3)는 베이스 기판(1)에서의 캔틸레버부(2b)의 적어도 제1 단(2b1) 측에 배치된다. 도시한 예에서는, 발전부(3)는 베이스 기판(1)에서의 캔틸레버부(2b)의 제1 단(2b1) 측에 배치되어 있지만, 본 발명의 발전부는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 발전부는, 베이스 기판(1)에서의 캔틸레버부(2b)의 전(全)(제1) 표면과 지지부(2a)의 전(제1) 표면 또는 캔틸레버부(2b) 측의 일부에 배치되어도 된다. 이 경우, 캔틸레버부(2b)의 제2 단(2b2) 측을 휘기 쉽도록, 캔틸레버부(2b)의 길이 방향에서의 후술하는 추부(2)의 치수를 도 1의 B보다 짧게 하여 캔틸레버부(2b)의 제2 단(2b2)에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 지지부(2a)는, 예를 들면, 직사각형의 프레임부(2d)에 포함되어 있다. 즉, 베이스 기판(1)은, 캔틸레버부(2b)에 더하여, 프레임부(2d) 및 개구를 포함한다. 프레임부(2d)는, 제1 변(2d1) 및 제2 변(2d2)이 다른 두 변보다 짧은 4개의 변을 가지고, 지지부(2a)를 제1 변(2d1)으로서 포함하고, 여기서, 제1 변 및 제2 변은 대향 변이다. 그리고, 그 개구는, 프레임부(2d)와 캔틸레버부(2b) 사이에 형성되어 있다. 상세하게는, 그 개구는, U자(또는 C자) 형상의 슬릿(1d)이며, 지지부(2a)는, 캔틸레버부(2b)의 일표면(제1 표면)이 프레임부(2d)의 일표면(제1 표면)과 동일 평면이 되어 함께 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b)을 형성하도록, 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에서 캔틸레버부(2b)를 지지하고 있다.
또한, 지지부(2a)에는, 그 제1 표면(베이스 기판(1)의 제1 표면(1b))에, 하부 전극용 패드(7a), 중간 전극용 패드(7b) 및 상부 전극용 패드(7c)가 구비되고, 이들은 각각, 접속 배선(6a, 6b, 6c)을 통하여 하부 전극(4a), 중간 전극(4b) 및 상부 전극(4c)에 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 베이스 기판(1)은, 평면에서 볼 때, 캔틸레버부(2b)를 통하여, 지지부(2a)와 대향하는 측(캔틸레버부(2b)의 제2 단(2b2) 측)에 추부(2c)를 구비하고 있다. 추부(2c)는, 슬릿(관통 구멍)(1d)을 통하여, 지지부(2a)로부터 연장되는 프레임부(2d)의 U자형 부분의 내측에 둘러싸여 배치되어 있다.
발전부(3)는, 하부 전극(4a), 제1 압전층(5a), 중간 전극(4b), 제2 압전층(5b) 및 상부 전극(4c)의 각 평면 사이즈가 각각 차례로 작아지도록 설계하고 있다. 또한, 발전부(3)는, 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에 있고, 또한 베이스 기판(1)의 제2 표면(1a) 측에 설치된 오목부(1c)와 대향하도록 배치되어 있다. 여기서, 발전부(3)는, 평면에서 볼 때, 하부 전극(4a)에서의 외주 에지의 내측에 제1 압전층(5a)이 위치하고, 제1 압전층(5a)은 하부 전극(4a)과 접한다. 이 제1 압전층(5a)에서의 외주 에지의 내측에 이 제1 압전층(5a)과 접하는 중간 전극(4b)이 위치하고 있다. 또한, 중간 전극(4b)의 외주 에지의 내측에 제2 압전층(5b)이 위치하고, 제2 압전층(5b)은 중간 전극(4b)과 접한다. 요컨대, 제1 압전층 및 제2 압전층은, 각각 중간 전극(4b)의 양면에 직접 접합되어 있다. 이 제2 압전층(5b)에서의 외주 에지의 내측에 이 제2 압전층(5b)와 접하는 상부 전극(4c)이 위치하고 있다.
또한, 발전부(3)는, 중간 전극(4b)과 전기적으로 접속되는 접속 배선(6b)과 하부 전극(4a)과의 단락을 방지하는 제1 절연층(8a)이 하부 전극(4a) 및 제1 압전층(5a) 각각의 주변부를 덮는 형태로 형성되어 있다. 제1 절연층(8a)은, 평면에서 볼 때, 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에서 제1 압전층(5a)과 중간 전극(4b)과의 접하는 영역을 규정하고 있다. 즉, 제1 절연층(8a)의 평면에서 볼 때의 형상은, 중간 전극(4b)의 주변부를 따른 프레임 형태로 되어 있다. 그리고, 제1 절연층(8a)은, 상부 전극(4c)과 전기적으로 접속된 접속 배선(6c)과 하부 전극(4a)과의 단락도 방지하고 있다.
마찬가지로, 상부 전극(4c)에 전기적으로 접속되는 접속 배선(6c)과 중간 전극(4b)과의 단락을 방지하는 제2 절연층(8b)이, 중간 전극(4b) 및 제2 압전층(5b) 각각의 주변부를 덮는 형태로 제1 절연층(8a) 상에 형성되어 있다. 제2 절연층(8b)은, 평면에서 볼 때, 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에서 제2 압전층(5b)과 상부 전극(4c)과의 접하는 영역을 규정하고 있다. 즉, 제2 절연층(8b)의 평면에서 볼 때의 형상은 상부 전극(4c)의 주변부에 따른 프레임 형태로 되어 있다.
본 실시예에서는, 진동 발전 소자(10)에서의 제1 절연층(8a) 및 제2 절연층(8b) 각각은, 실리콘 산화막에 의해 구성되지만, 실리콘 산화막에 한정되지 않는다. 예를 들면, 각 절연층은 실리콘 질화막이라도 되고, 또한 단층막 또는 다층막이라도 된다. 이와 같이, 요동하는 캔틸레버부(2b)의 위쪽에 형성되는 제1 절연층(8a) 및 제2 절연층(8b) 각각을, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막에 의해 형성하면, 제1 절연층(8a) 및 제2 절연층(8b)을 각각 레지스트에 의해 형성한 경우와 비교하여 절연성 및 내열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 베이스 기판(1)은, 제1 표면(1b) 측 및 제2 표면(1a) 측 각각에 실리콘 산화막으로 이루어지는 절연막(12e, 12a)을 형성하고 있고, 발전부(3)와 베이스 기판(1)이 제1 표면(1b) 측의 절연막(12e)에 의해 전기적으로 절연되어 있다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서의 발전부(3)는, 제1 압전 변환부(3a) 및 제2 압전 변환부(3b)를 포함한다. 제1 압전 변환부(3a)는 하부 전극(4a)과 제1 압전층(5a)과 중간 전극(4b)으로 구성된다. 제2 압전 변환부(3b)는 중간 전극(4b)과 제2 압전층(5b)과 상부 전극(4c)으로 구성된다. 그러므로, 캔틸레버부(2b)의 진동에 의해 발전부(3)의 제1 압전 변환부(3a) 및 제2 압전 변환부(3b)가 각각 응력을 받아 별개로 발전한다. 즉, 제1 압전 변환부(3a)는, 하부 전극(4a)과 중간 전극(4b) 사이의 제1 압전층(5a)에 전하의 편향이 발생해 교류 전력이 발생한다. 마찬가지로, 제2 압전 변환부(3b)는, 중간 전극(4b)과 상부 전극(4c) 사이의 제2 압전층(5b)에 전하의 편향이 발생해 교류 전력이 발생한다.
본 실시예에서의 진동 발전 소자(10)는, 제1 압전층(5a) 및 제2 압전층(5b)의 압전 재료로, 변형 방향과 전계 방향이 평행하게 되는 d31 모드를 이용한 PZT(Pb(Zr, Ti)O3)를 사용하고 있다. 그리고, 진동 발전 소자(10)의 제1 압전층(5a) 및 제2 압전층(5b)은 압전 재료로서 PZT에 한정되지 않고, 예를 들면, PZT-PMN(:Pb(Mn, Nb)O3), PLZT(Pb, La)(Zr, Ti)O3)나 SBT(SrBi2Ta2O9) 등을 사용해도 된다. 또한, 제1 압전층(5a)과 제2 압전층(5b)은 반드시 같은 재료로 형성할 필요는 없다. 즉, 제1 압전 변환부(3a)로부터의 출력, 제2 압전 변환부(3b)로부터의 출력이 동등해지도록, 제1 압전층(5a) 및 제2 압전층(5b)의 면적, 두께나 재료를 적절하게 선택할 수도 있다.
또한, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 단결정 실리콘 기판(12b)과, 단결정의 실리콘층(활성층)(12d)과의 사이에 실리콘 산화막으로 이루어지는 매립 산화막(12c)을 끼운 구조의 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 사용하여 베이스 기판(1)을 형성하고 있다. 그리고, 베이스 기판(1)이 되는 SOI 기판으로서는, 실리콘층(12d)의 표면이 (100)면인 것을 사용하고 있다.
또한, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 베이스 기판(1)으로서, SOI 기판을 사용하고 있으므로, 후술하는 제조 시에 있어서, SOI 기판의 매립 산화막(12c)을 캔틸레버부(2b)의 형성 시에 있어 에칭 스토퍼층으로서 이용할 수 있다. 이로써, 진동 발전 소자(10)는 캔틸레버부(2b)의 두께의 고정밀도화를 도모하고, 또한 신뢰성의 향상 및 저비용화를 도모할 수 있게 된다. 그리고, 베이스 기판(1)은 SOI 기판에 한정되지 않고, 예를 들면, 단결정의 실리콘 기판 등을 사용해도 된다.
또한, 하부 전극(4a), 중간 전극(4b) 및 상부 전극(4c) 각각은, 바람직하게는 1개 또는 복수의 도전층만으로 이루어진다. 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 하부 전극(4a)을 Pt막에 의해 구성하고 있다. 또한, 중간 전극(4b)은 Ti막과 Au막의 적층막에 의해 구성하고 있다. 또한, 상부 전극(4c)은 Ti막과 Pt막의 적층막에 의해 구성하고 있다. 진동 발전 소자(10)의 하부 전극(4a), 중간 전극(4b) 및 상부 전극(4c)은, 이들의 재료나 층 구조를 특별히 한정하지 않고, 하부 전극(4a), 중간 전극(4b) 및 상부 전극(4c) 각각을 단층 구조로 해도 되고 다층 구조로 해도 된다. 하부 전극(4a)이나 상부 전극(4c)의 전극 재료로는, 예를 들면, Au, Al나 Ir 등을 채용해도 되고, 중간 전극(4b)의 재료로는, 예를 들면, Mo, Al, Pt나 In 등을 채용해도 된다.
그리고, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 하부 전극(4a)의 두께를 100㎚, 제1 압전층(5a)의 두께를 600㎚로 설정하고 있다. 또한, 평면에서 볼 때에, 제1 압전층(5a)보다 면적이나 캔틸레버부(2b)의 진동에 따른 응력이 감소하는 제2 압전층(5b)의 두께를, 제1 압전층(5a)이 발전하는 출력과 동등해지도록, 제1 압전층(5a)보다 두껍게 설정하고 있다. 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 중간 전극(4b)의 두께를 100㎚, 상부 전극(4c)의 두께를 100㎚로 설정하고 있다. 그리고, 진동 발전 소자(10)의 하부 전극(4a), 중간 전극(4b), 상부 전극(4c), 제1 압전층(5a)이나 제2 압전층(5b)의 두께는, 전술한 두께에만 한정되지 않고 적절하게 설정하면 된다.
그리고, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 캔틸레버부(2b)의 평면에서 볼 때의 형상이 직사각 형상으로 되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 지지부(2a)에서 떨어져 추부(2c)에 가까워질수록 폭 치수가 서서히 작아지는 사다리꼴 형상이라도 된다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 평면에서 볼 때, 하부 전극(4a)의 외주 에지의 내측에 제1 압전층(5a)이 위치하고, 제1 압전층(5a)의 외주 에지의 내측에 중간 전극(4b)이 위치하고 있으므로, 하부 전극(4a)과 제1 압전층(5a)과 중간 전극(4b)이 같은 평면 사이즈인 경우와 비교하여, 접속 배선(6b)의 베이스가 되는 부분의 단차를 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 평면에서 볼 때, 중간 전극(4b)의 외주 에지의 내측에 제2 압전층(5b)이 위치하고, 제2 압전층(5b)의 외주 에지의 내측에 상부 전극(4c)이 위치하고 있으므로, 중간 전극(4b)과 제2 압전층(5b)과 상부 전극(4c)이 같은 평면 사이즈인 경우와 비교하여, 접속 배선(6c)의 베이스가 되는 부분의 단차를 감소시킬 수 있다.
진동 발전 소자(10)에서는, 제1 압전층(5a)과 제2 압전층(5b)으로부터 각각 출력되는 전력을 대략 동등하게 하기 위해, 제1 압전층(5a)보다 평면에서 볼 때의 면적이 작은 제2 압전층(5b)을 제1 압전층(5a)보다 두껍게 형성하는 경우가 있다. 이 경우, 제1 압전층(5a)에 형성되는 접속 배선(6b)이나 제2 압전층(5b)에 형성되는 접속 배선(6b)의 베이스가 되는 부분의 단차를 감소시킴으로써, 보다 신뢰성이 높은 진동 발전 소자(10)로 할 수 있다.
또한, 진동 발전 소자(10)는, 하부 전극(4a)과 중간 전극(4b) 및 상부 전극(4c)과의 단락을 각각 방지하는 제1 절연층(8a)이, 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에 있어서 지지부(2a) 위까지 연장되어 있어도 된다. 즉, 중간 전극(4b)과 이 중간 전극(4b)에 전기적으로 접속되는 중간 전극용 패드(7b)와의 사이의 접속 배선(6b)의 모든 부위를 제1 절연층(8a) 상에 형성하고, 중간 전극용 패드(7b)를 제1 절연층(8a)의 평탄한 부위 상에 형성해도 된다(도시하지 않음). 이로써, 진동 발전 소자(10)는, 접속 배선(6b)의 베이스가 되는 부분의 단차를 감소시킬 수 있고, 제1 압전층(5a)의 막 두께를 증대시키면서도 하부 전극(4a)과 중간 전극용 패드(7b)를 전기적으로 접속하는 접속 배선(6b)의 단선의 가능성을 더욱 감소시킬 수 있다.
마찬가지로, 상부 전극(4c)과 이 상부 전극(4c)에 전기적으로 접속되는 상부 전극용 패드(7c) 사이의 접속 배선(6c)의 모든 부위를 제2 절연층(8b) 상에 형성하고, 상부 전극용 패드(7c)를 제2 절연층(8b)의 평탄한 부위 상에 형성해도 된다(도시하지 않음). 이로써, 진동 발전 소자(10)는, 접속 배선(6c)의 베이스가 되는 부분의 단차를 감소시킬 수 있고, 제2 압전층(5b)의 막 두께를 증대시키면서도 중간 전극(4b)과 상부 전극용 패드(7c)를 전기적으로 접속하는 접속 배선(6c)의 단선의 가능성을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)는 제1 압전 변환부(3a)로 발전한 전력을 하부 전극(4a) 및 중간 전극(4b)을 사용하여 출력시킬 수 있다. 마찬가지로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는 제2 압전 변환부(3b)로 발전한 전력을 중간 전극(4b) 및 상부 전극(4c)을 사용하여 출력시킬 수 있다.
여기서, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에는, 2상 전파 정류기(D2)가 구비되어 이들은 함께 진동 발전 장치(20)를 구성한다. 정류기(D2)는 상부 전극(4c) 및 하부 전극(4a)에 각각 전기적으로 접속되는 제1 입력 단자(T1) 및 제2 입력 단자(T2)와 공통 전극으로서의 중간 전극(4b)에 전기적으로 접속되는 공통 단자(T0)를 포함하고, 하부 전극(4a) 및 상부 전극(4c)으로부터 출력되는 2상 교류를 직류로 변환하도록 구성된다. 더욱 구체적으로는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 중간 전극용 패드(7b)가, 진동 발전 소자(10)의 중간 전극(4b)과 전기적으로 접속되고, 또한 공통 단자(T0)와 전기적으로 접속된다. 하부 전극용 패드(7a)는, 하부 전극(4a)과 전기적으로 접속되고, 또한 제2 입력 단자(T2)와 전기적으로 접속된다. 상부 전극용 패드(7c)는, 상부 전극(4c)과 전기적으로 접속되고, 또한 제1 입력 단자(T1)와 전기적으로 접속된다. 이로써, 진동 발전 소자(10)가 정류기(D2)에 접속된다. 또한, 정류기(D)는, 제1 출력 단자(T4) 및 제2 출력 단자(T5)와, 제1 입력 단자(T1)와 제1 출력 단자(T4) 사이에 접속되는 제1 다이오드(D21)와, 제2 입력 단자(T2)와 제1 출력 단자(T4) 사이에 접속되는 제2 다이오드(D22)를 포함한다. 제2 출력 단자(T5)는 공통 단자(T0)와 전기적으로 접속된다. 도 2의 예에서는, 제1 다이오드(D21)의 애노드 및 캐소드가 각각 제1 입력 단자(T1) 및 제1 출력 단자(T4)에 접속되고, 제2 다이오드(D22)의 애노드 및 캐소드가 각각 제2 입력 단자(T2) 및 제1 출력 단자(T4)에 접속되어 있다. 또한, 정류기(D2)의 양(兩) 출력 단자 사이에 커패시터(Cs)가 접속되어 있다. 진동 발전 장치(20)는, 진동 발전 장치(20)에 접속되는 부하(도시하지 않음)에 따라, 커패시터(Cs)와 부하 사이에 DC/DC 변환부(21)를 설치하여 부하 측에 공급하는 전압을 적절하게 승압 또는 강압시키는 구성으로 하고 있다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)를 포함하는 진동 발전 장치(20)에서는, 전술한 도 8의 C에 나타낸 진동 발전 장치(820)와는 상이하고, 진동 발전 소자(10)의 출력을 교류 전력에서 직류 전력으로 변환할 때, 정류기(D2)에서의 1개의 다이오드를 통하여 진동 발전 소자(10)로부터 전류가 출력되게 된다. 그러므로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)를 포함하는 진동 발전 장치(20)는, 도 8의 C에 나타낸 진동 발전 장치(820)와 비교하여, 정류기의 다이오드에서의 손실을 감소시킬 수 있으므로, 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 중간 전극(4b)이 1개 또는 복수의 도전층만으로 이루어지고, 제1 압전층 및 제2 압전층이 각각 중간 전극의 양면에 직접 접합되므로, 제1 압전층 및 제2 압전층 간의 거리가 최소가 되어, 진동 발전 소자(10)의 두께 치수를 최소로 할 수 있다.
이하, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)의 제조 방법에 대해서도 3 내지 도 7을 참조하면서 설명한다. 각 도면에서의 제조 단계에 있어서, 평면도를 위쪽에, 주요부의 대략 단면도를 아래쪽에 도시하고 있다.
먼저, 베이스 기판(1)이 되는 전술한 SOI 기판으로 이루어지는 소자 형성 기판(11)의 일표면(제1 표면) 측 및 타표면(제2 표면) 측 각각에 실리콘 산화막으로 이루어지는 절연막(12e, 12a)을 열산화법 등에 의해 형성하는 절연막 형성 단계(도 3의 A 참조)을 행한다. 이로써, 소자 형성 기판(11)을 사용하여 형성된 베이스 기판(1)은, 제1 표면(1b) 측에 절연막(12e)을 구비하고, 제2 표면(1a)에 절연막(12a)을 구비하게 된다. 그리고, SOI 기판으로 이루어지는 소자 형성 기판(11)은, 단결정 실리콘 기판(12b)과 단결정의 실리콘층(12d) 사이에 실리콘 산화막으로 이루어지는 매립 산화막(12c)을 끼운 구조로 하고 있다.
그 후, 소자 형성 기판(11)의 제1 표면 측의 전면(全面)에 하부 전극(4a), 접속 배선(6a) 및 하부 전극용 패드(7a)의 기초가 되는 Pt층으로 이루어지는 제1 금속막(24a)을, 예를 들면, 스퍼터법이나 CVD법 등에 의해 형성하는 제1 금속막 형성 단계를 행한다. 이어서, 소자 형성 기판(11)의 제1 표면 측의 전면에 압전 재료(예를 들면, PZT 등)로 이루어지는 제1 압전층(5a)의 기초가 되는 제1 압전막(예를 들면, PZT막 등)(25a)을, 예를 들면, 스퍼터법, CVD법, 졸겔법이나 후술하는 전사법 등에 의해 형성하는 압전막 형성 단계를 행한다(도 3의 B 참조).
그리고, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 하부 전극(4a) 상에 제1 압전층(5a)을 형성하고 있지만, 제1 압전층(5a)과 하부 전극(4a) 사이에, 제1 압전층(5a)의 성막 시의 베이스가 되는 시드층(seed layer)을 개재시킴으로써 제1 압전층(5a)의 결정성을 향상시켜도 된다. 시드층의 재료로는재료로는, 도전성 산화물 재료의 일종인 PLT((Pb, La)TiO3), PTO(PbTiO3)나 SRO(SrRuO3) 등을 들 수 있다.
또한, 제1 금속막(24a)은 Pt막에 한정되지 않고, 예를 들면, Al막이나 Al-Si막이라 되고, Au막과, 이 Au막과 절연막(12e) 사이에 개재시키는 밀착성 개선용의 밀착막으로서 Ti막을 구비한 구성으로 해도 된다. 여기서, 도시하지 않은 밀착막의 재료는 Ti에 한정되지 않고, 예를 들면, Cr, Nb, Zr, TiN이나 TaN 등을 사용해도 된다.
다음에, 압전막 형성 단계 후, 제1 압전막(25a)을 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 소정의 형상으로 패터닝함으로써 제1 압전막(25a)의 일부로 이루어지는 제1 압전층(5a)을 형성하는 압전막 패터닝 단계를 행한다(도 3c 참조).
그 후, 제1 금속막(24a)을 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 소정의 형상으로 패터닝함으로써, 제1 금속막(24a)의 일부로 이루어지는 하부 전극(4a), 접속 배선(6a) 및 하부 전극용 패드(7a)를 각각 형성하는 금속막 패터닝 단계를 행한다(도 4a 참조). 그리고, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)의 제조 방법에서는, 금속막 패터닝 단계에서 제1 금속막(24a)을 패터닝함으로써, 하부 전극(4a)과 함께 접속 배선(6a) 및 하부 전극용 패드(7a)를 동시에 형성하고 있다. 여기서, 하부 전극(4a), 접속 배선(6a) 및 하부 전극용 패드(7a)는, 금속막 패터닝 단계에서 제1 금속막(24a)을 패터닝함으로써, 모두를 동시에 형성하는 것뿐 아니고, 하부 전극(4a)만을 형성해도 된다. 이 경우, 하부 전극(4a)을 형성한 후, 접속 배선(6a) 및 하부 전극용 패드(7a)를 별도로 형성하는 배선 형성 단계를 설치하면 된다. 마찬가지로, 접속 배선(6a)을 형성하는 접속 배선 형성 단계와, 하부 전극용 패드(7a)를 형성하는 하부 전극용 패드 형성 단계를 별개로 설치해도 된다. 그리고, 제1 금속막(24a)의 에칭할 때는, 예를 들면, RIE법이나 이온 밀링법 등을 적절하게 채용할 수가 있다.
금속막 패터닝 단계에 의해, 하부 전극(4a), 접속 배선(6a), 및 하부 전극용 패드(7a)를 형성한 후, 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측에 제1 절연층(8a)을 형성하는 제1 절연층 형성 단계를 행한다(도 4b 참조). 제1 절연층 형성 단계에서는, 제1 압전층(5a)이 형성된 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측에 레지스트막을 도포한 후, 이 레지스트막을 포토리소그래피 기술에 의해 패터닝한다. 이어서, 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측의 전면에 절연막을 CVD법 등에 의해 성막한 후, 레지스트막을 박리하는 리프트 오프법을 이용함으로써 제1 절연층(8a)을 형성하고 있다. 제1 절연층 형성 단계에서는, 제1 절연층(8a)을 형성시키기 위해, 리프트 오프법을 이용하는 것에만 한정되지 않고 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝하면 된다.
다음에, 중간 전극(4b)을 형성하는 중간 전극 형성 단계는, 제1 절연층(8a)의 형성을 행한 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측에 레지스트막을 도포한 후, 이 레지스트막을 포토리소그래피 기술에 의해 패터닝한다. 이어서, 금속막을 증착하여, 레지스트막을 박리하는 리프트 오프법을 행함으로써, 중간 전극(4b)과 함께 접속 배선(6b) 및 중간 전극용 패드(7b)를 형성시켜 중간 전극 형성 단계를 행한다(도 4c 참조). 그리고, 중간 전극(4b)은 EB증착법이나 스퍼터법이나 CVD법 등의 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 에칭 기술을 이용하여 형성하는 중간 전극 형성 단계에 의해, 접속 배선(6b) 및 중간 전극용 패드(7b)와 동시에 형성시켜도 된다. 또한, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)의 제조 방법에서는, 중간 전극 형성 단계에 있어서, 중간 전극(4b)과 함께 접속 배선(6b) 및 중간 전극용 패드(7b)를 형성하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 중간 전극 형성 단계와 배선 형성 단계를 별개로 행하도록 해도 된다. 또한, 배선 형성 단계는, 접속 배선(6b)을 형성하는 접속 배선 형성 단계와, 중간 전극용 패드(7b)를 형성하는 중간 전극용 패드 형성 단계를 별개로 행해도 된다.
전술한 바와 같이 하여 중간 전극(4b), 접속 배선(6b), 중간 전극용 패드(7b)를 형성한 후, 소자 형성 기판(11)의 중간 전극(4b) 상에 압전 재료(예를 들면, PZT 등)으로 이루어지는 제2 압전층(5b)을 형성하는 제2 압전층 형성 단계를 행한다(도 5a 참조). 제2 압전층(5b)은, 예를 들면, 스퍼터법, CVD법, 졸겔법이나 전사법을 이용하여 압전막을 형성한 후, 포토리소그래피 기술, 에칭 기술을 이용하여 형성할 수 있다.
여기서, 제2 압전층(5b)을 전사법으로 형성하기 위해서는, 미리, 도시하지 않은 제2 압전막 형성용 기판의 일표면 상에 스퍼터법, CVD법이나 졸겔법 등을 사용하여 강유전체 박막으로 이루어지는 제2 압전막을 성막시켜 둔다. 다음에, 제2 압전막 형성용 기판의 제2 압전막과 소자 형성 기판(11)에 형성된 중간 전극(4b)을 대향 배치시킨 상태로, 투광성의 제2 압전막 형성용 기판의 타표면 측으로부터 레이저광을 조사시킨다. 레이저광은, 제2 압전막 형성용 기판과, 제2 압전막과의 계면에서 흡수되도록 조사시킨다. 이로써, 제2 압전막 형성용 기판으로부터 제2 압전막의 일부가 박리된다. 또한, 박리된 제2 압전막은 소자 형성 기판(11)의 중간 전극(4b) 측에 전사되어 제2 압전층(5b)이 된다. 레이저광의 조사하는 영역을 제어함으로써, 제2 압전막을 평면에서 볼 때 중간 전극(4d) 상에 중간 전극(4d)의 외형보다 작은 형상으로 전사할 수 있다.
그리고, 제2 압전막 형성용 기판은, 베이스 기판(1)보다 제2 압전층(5b)의 기초가 되는 제2 압전막과의 격자 상수차가 작고, 격자 정합성이 좋은 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제2 압전막의 재료로 PZT를 사용한 경우, 제2 압전막 형성용 기판으로서는, 단결정 MgO 기판이나 단결정 STO(SrTiO3) 기판 등을 사용할 수 있다. 또한, 제2 압전막 형성용 기판으로부터 제2 압전막의 일부를 전사시키는 레이저광은, 예를 들면, KrF 엑시머 레이저로부터 조사시킬 수 있다. 또한, 제2 압전막 형성용 기판과 제2 압전막 사이에, 제2 압전막의 결정 배향을 제어하기 위한 PLT, PTO나 SRO 등의 시드층을 설치해도 된다. 시드층은, 제2 압전막의 일부를 박리할 때, 제2 압전막의 전사 시에 레이저광을 흡수시켜 제거되는 희생층으로 이용할 수도 있다. 제2 압전막의 전사에 따라 제2 압전막 형성용 기판의 불필요한 파편이 소자 형성 기판(11) 측에 부착된 경우에는, 적절히 에칭액(etchant)에 의해 제거해도 된다.
이와 같은 별도로 형성한 압전막을 전사하여 압전층을 형성하는 전사법을 이용함으로써, 진동 발전 소자(10)의 제조 시간을 단축시킬 수 있게 된다. 즉, 제1 압전층(5a)과 제2 압전층(5b)을 차례대로 성막하여 진동 발전 소자(10)를 제조하는 방법과 비교하여, 압전막의 형성에 시간이 걸리는 압전막 형성 단계를 제1 압전층(5a)과 제2 압전층(5b)으로 별도로 병행하여 행할 수 있다.
전술한 전사법을 이용한 제2 압전층 형성 단계 후, 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측에 제2 압전층(5b)의 일부가 노출된 제2 절연층(8b)을 형성하는 제2 절연층 형성 단계를 행한다(도 5b 참조). 제2 절연층 형성 단계에서는, 제2 압전층(5b)이 형성된 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측에 레지스트막을 도포한 후, 이 레지스트막을 포토리소그래피 기술에 의해 패터닝한다. 이어서, 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측의 전면에 절연막을 CVD법 등에 의해 성막한 후, 레지스트막을 박리하는 리프트 오프법을 이용함으로써 제2 절연층(8b)을 형성하고 있다. 제2 절연층 형성 단계에서는, 제2 절연층(8b)을 형성시키기 위해, 리프트 오프법을 이용하는 것에만 한정되지 않고 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝하면 된다.
다음에, 상부 전극(4c)은, 제2 압전층(5b)을 피복하는 제2 절연층(8b)이 형성된 소자 형성 기판(11)의 상기 제1 표면 측에 레지스트막을 도포한 후, 레지스트막을 포토리소그래피 기술에 의해 패터닝한다. 이어서, 금속막을 증착하여, 레지스트막을 박리함으로써, 상부 전극(4c)과 함께 접속 배선(6c) 및 상부 전극용 패드(7c)를 형성시키고 있다(도 5c 참조). 그리고, 상부 전극(4c)은, EB증착법, 스퍼터법이나 CVD법 등의 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 에칭 기술을 이용하여 형성하는 상부 전극 형성 단계에 의해, 접속 배선(6c) 및 상부 전극용 패드(7c)와 동시에 형성시키고 있다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)의 제조 방법에서는, 상부 전극 형성 단계에서, 상부 전극(4c)과 함께 접속 배선(6c) 및 상부 전극용 패드(7c)를 형성하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 상부 전극 형성 단계와 배선 형성 단계를 별개로 행하도록 해도 된다. 또한, 배선 형성 단계에 대하여도, 접속 배선(6c)을 형성하는 접속 배선 형성 단계와 상부 전극용 패드(7c)를 형성하는 상부 전극용 패드 형성 단계를 별개로 행해도 된다.
이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여, 소자 형성 기판(11)을 가공함으로써, 지지부(2a) 및 캔틸레버부(2b)를 구비한 베이스 기판(1)을 형성하는 소자 형성 기판 가공 단계를 행한다. 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여, 소자 형성 기판(11)의 상기 일표면 측으로부터 지지부(2a), 캔틸레버부(2b) 및 추부(2c)가 되는 부위 이외의 절연막(12e)을 BHF 등에 의해 에칭한다. 이로써, 소자 형성 기판(11)의 실리콘층(12d)을 노출시키는 표면 절연막 제거 단계를 행한다(도 6a 참조).
다음에, RIE법에 의해, 소자 형성 기판(11)에서의 상기 제1 표면 측의 절연막(12e)을 제거한 부위의 실리콘층(12d)을 에칭에 의해 제거한다. 이로써, 매립 산화막(12c)을 노출시켜 슬릿(1d)의 일부가 되는 표면(表面)홈을 형성하는 표면홈 형성 단계를 행한다(도 6b 참조).
이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여, 소자 형성 기판(11)의 상기 제2 표면 측으로부터 지지부(2a), 캔틸레버부(2b) 및 추부(2c)가 되는 부위 이외의 절연막(12a)을 BHF 등을 사용하여 에칭한다. 이로써, 절연막(12a)의 일부를 제거하여 단결정 실리콘 기판(12b)를 노출시킨다(도 6c 참조).
절연막(12a)의 일부를 제거한 후, 소자 형성 기판(11)의 상기 제2 표면 측으로부터 절연막(12a)을 제거한 부위를 Deep-RIE법에 의해, 매립 산화막(12c)에 도달하는 소정 깊이까지 소자 형성 기판(11)을 에칭한다. 이로써, 소자 형성 기판(11)에서의 제2 표면 측의 매립 산화막(12c)을 노출시켜, 슬릿(1d)의 일부가 되는 이면(裏面)홈을 형성하는 이면홈 형성 단계를 행한다(도 7a 참조). 이면홈 형성 단계는, 이면홈을 형성하고, 또한 소자 형성 기판(11)의 제2 표면 측에 오목부(1c)를 형성하고 있다.
이어서, 매립 산화막(12c)의 불필요한 부분을 RIE법에 의한 에칭에 의해 제거하여, 표면홈과 이면홈을 연통시킨 슬릿(1d)을 형성하는 산화막 에칭 단계를 행한다(도 7b 참조). 이로써, 캔틸레버부(2b)와 함께 추부(2c)가 형성된 진동 발전 소자(10)를 제조할 수 있다. 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 슬릿(1d)을 형성함으로써, 캔틸레버부(2b)를 통하여 지지부(2a)와 대향하는 측에 추부(2c)를 구비하고, 추부(2c)가 슬릿(1d)를 통하여 지지부(2a)로부터 연장되는 U자형(또는 C자형)의 프레임부(2d)의 내측에 둘러싸여 배치되는 구성으로 된다.
본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 캔틸레버부(2b)를 통하여 지지부(2a)와 대향하는 측에 추부(2c)를 구비하고 있으므로, 추부(2c)를 가지고 있지 않은 경우와 비교하여, 발전량을 증대시킬 수 있다. 그리고, 진동 발전 소자(10)는, 지지부(2a)에 요동 가능하게 지지되는 캔틸레버부(2b)를 구비하고 있으면 되고, 반드시 추부(2c)나 프레임부(2d)를 형성할 필요도 없다. 따라서, 진동 발전 소자(10)는 캔틸레버부(2b)를 구비하고 있으면, 슬릿(1d)을 형성하는 산화막 에칭 단계를 생략할 수도 있다. 또한, 진동 발전 소자(10)는, 소자 형성 기판 가공 단계가 종료될 때까지를 웨이퍼 레벨로 행하고 나서, 각각의 진동 발전 소자(10)로 분할하는 다이싱 단계를 행함으로써, 복수 개의 진동 발전 소자(10)를 우수한 양산성(量産性)으로 형성할 수 있다.
그리고, 도 1에 나타낸 진동 발전 소자(10)는, 기본적으로 베이스 기판(1)과 발전부(3)로 구성되어 있지만, 베이스 기판(1)의 제1 표면(1b) 측에 있어서 지지부(2a)나 프레임부(2d)에 고착시킨 도시하지 않은 제1 커버 기판과, 베이스 기판(1)의 제2 표면(1a) 측에 있어서 지지부(2a)나 프레임부(2d)에 고착시킨 도시하지 않은 제2 커버 기판을 설치해도 된다.
예를 들면, 제1 커버 기판은, 베이스 기판(1) 측의 제1 표면(1b)에, 캔틸레버부(2b) 및 추부(2c)가 요동하는 변위 공간을 베이스 기판(1)과의 사이에 형성하기 위한 오목부를 구비한 유리 기판이나 실리콘 기판을 이용하면 된다.
그리고, 제1 커버 기판은, 베이스 기판(1)의 하부 전극용 패드(7a), 중간 전극용 패드(7b) 및 상부 전극용 패드(7c)와 각각 접합되어 외부에 출력 가능한 연락용 전극을 적절하게 구비하면 된다.
또한, 제2 커버 기판은, 베이스 기판(1) 측의 제2 표면(1a)에, 캔틸레버부(2b) 및 추부(2c)가 요동하는 변위 공간을 베이스 기판(1)과의 사이에 형성하기 위한 오목부를 구비한 유리 기판이나 실리콘 기판을 이용하면 된다. 여기서, 베이스 기판(1)과 제1 및 제2 커버 기판과는, 예를 들면, 상온 접합법, 에폭시 수지 등을 사용한 수지 접합법이나 양극 접합법 등에 의해 접합함으로써 형성할 수 있다.
그리고, 제1 커버 기판 및 제2 커버 기판을 구비한 진동 발전 소자(10)를 제조하기 위해서는, 베이스 기판(1)을 형성한 후, 각 커버 기판을 접합하는 커버 접합 단계를 행하도록 하면 되고, 커버 접합 단계가 종료될 때까지를 웨이퍼 레벨로 행하고나서, 다이싱 단계를 행함으로써 각각의 진동 발전 소자(10)로 분할하면 된다.
이상 설명한 본 실시예의 진동 발전 소자(10)에서는, 하부 전극(4a)과 중간 전극(4b) 사이에 고전계를 인가함으로써, 강유전체 박막을 사용한 제1 압전층(5a)의 분극 처리를 행할 수 있다. 또한, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 강유전체 박막을 사용한 제1 압전층(5a) 내의 분극의 방향에, 어긋남이 발생한 때에도, 분극 처리에 의해 제1 압전층(5a) 내의 분극의 방향을 정렬할 수 있다. 마찬가지로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 제1 압전층(5a)의 분극의 방향과 캔틸레버부(2b)의 요동 방향 사이에, 어긋남이 발생한 때에도, 분극 처리에 의해 제1 압전층(5a)의 분극의 방향을 요동 방향으로 정렬할 수 있다. 그러므로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 제1 압전층(5a) 내의 분극의 방향이나, 제1 압전층(5a)의 분극의 방향과 캔틸레버부(2b)의 요동 방향 사이에 어긋남이 발생함으로써 발전 효율이 저하되는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
마찬가지로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 중간 전극(4b)과 상부 전극(4c) 사이에 고전계를 인가함으로써, 강유전체 박막을 사용한 제2 압전층(5b)의 분극 처리를 행할 수 있다. 또한, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 강유전체 박막을 사용한 제2 압전층(5b) 내의 분극의 방향에, 어긋남이 발생한 때에도, 분극 처리에 의해 제2 압전층(5b) 내의 분극의 방향을 정렬할 수 있다. 마찬가지로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 제2 압전층(5b)의 분극의 방향과 캔틸레버부(2b)의 요동 방향 사이에, 어긋남이 발생한 때에도, 분극 처리에 의해 제2 압전층(5b)의 분극의 방향을 요동 방향으로 정렬할 수 있다. 그러므로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 제2 압전층(5b)에서의 분극의 방향과 캔틸레버부(2b)의 요동 방향 사이에 어긋남이 발생함으로써 발전 효율이 저하되는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 강유전 박막을 사용한 제1 압전층(5a) 및 강유전 박막을 사용한 제2 압전층(5b)에 대하여, 하부 전극(4a)과 중간 전극(4b) 사이, 중간 전극(4b)과 상부 전극(4c) 사이에 고전계를 인가하는 분극 처리를 각각 행할 수 있다. 이로써, 제1 압전층(5a)에서의 분극의 방향과 제2 압전층(5b)에서의 분극의 방향은, 발전부(3)의 두께 방향에 있어서 동일 방향으로 정렬할 수 있게 된다. 본 실시예의 진동 발전 소자(10)를 구비한 진동 발전 장치(20)는, 진동 발전 소자(10)에서의 제1 압전층(5a) 및 제2 압전층(5b)의 분극에 의한 방향을 정렬함으로써, 캔틸레버부(2b)가 요동하고 있을 때 진동 발전 소자(10)로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있게 된다.
이와 같이 형성된 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 중간 전극(4b)을 제1 압전층(5a)과 제2 압전층(5b) 사이에 두고 있으므로, 캔틸레버부(2b)의 요동 시에 제1 압전층(5a) 및 제2 압전층(5b)에 걸리는 응력을 완화할 수 있게 된다. 그러므로, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 제1 압전층(5a)이나 제2 압전층(5b)이 캔틸레버부(2b)의 요동에 따라 크랙 등이 발생하는 것을 억제하면서, 발전부(3)에서의 압전층인 제1 압전층(5a) 및 제2 압전층(5b)의 전체 막 두께를 증가시켜, 더욱 출력 전력을 증대시킬 수 있게 된다. 즉, 본 실시예의 진동 발전 소자(10)는, 출력 전력이 더욱 높고 소형화하는 것이 가능해진다.
본 발명을 몇몇 바람직한 실시예에 대하여 기술하였지만, 본 발명의 본래의 정신 및 범위, 즉 청구범위를 일탈하지 않고, 당업자에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (10)

  1. 지지부와, 상기 지지부에 요동 가능하게 지지된 캔틸레버부를 구비한 베이스 기판과,
    상기 캔틸레버부에 형성되고, 상기 캔틸레버부의 진동에 따라 교류 전력을 발생하도록 구성되는 발전부
    를 포함한 진동 발전 소자로서,
    상기 발전부는,
    상기 캔틸레버부와 중첩되도록 상기 베이스 기판의 일표면 측에 형성된 하부 전극,
    상기 캔틸레버부에서 볼 때, 상기 하부 전극의 반대 측에 형성된 제1 압전층,
    상기 하부 전극에서 볼 때, 상기 제1 압전층의 반대 측에 형성된 중간 전극,
    상기 제1 압전층에서 볼 때, 상기 중간 전극의 반대 측에 형성된 제2 압전층, 및
    상기 중간 전극에서 볼 때, 상기 제2 압전층의 반대 측에 형성된 상부 전극
    을 포함하고,
    상기 지지부의 제1 표면 상에 하부 전극용 패드, 중간 전극용 패드 및 상부 전극용 패드가 구비되고, 상기 제1 표면은 상기 베이스 기판의 표면이며,
    상기 하부 전극용 패드, 상기 중간 전극용 패드, 상기 상부 전극용 패드는 상기 하부 전극,상기 중간 전극, 상기 상부 전극에 각각 접속 배선을 통하여 전기적으로 접속되며,
    상기 발전부(3)에서는,
    (i) 상기 중간 전극에 전기적으로 접속되는 접속 배선과 상기 하부 전극과의 단락을 방지하는 제1 절연층이, 상기 하부 전극 및 상기 제1 압전층 각각의 주변부를 덮는 형태로 형성되어 있고,
    (ii) 상기 상부 전극에 전기적으로 접속되는 접속 배선과 상기 중간 전극과의 단락을 방지하는 제2 절연층이, 상기 중간 전극과 상기 제2 압전층 각각의 주변부를 덮는 형태로 상기 제1 절연층 상에 형성되어 있는,
    진동 발전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전층 및 상기 제2 압전층 각각은, 강유전체 박막인, 진동 발전 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전층에서의 분극의 방향과 상기 제2 압전층에서의 분극의 방향은, 상기 발전부의 두께 방향에 있어서 동일 방향인, 진동 발전 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 압전층에서의 분극의 방향과 상기 제2 압전층에서의 분극의 방향은, 상기 발전부의 두께 방향에 있어서 동일 방향인, 진동 발전 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버부는, 제1 단 및 제2 단을 가지고, 상기 제1 단 측에서 상기 지지부에 의해 상기 제2 단 측이 요동 가능하게 지지되고,
    상기 발전부는, 상기 베이스 기판에서의 상기 캔틸레버부의 적어도 제1 단 측에 배치되는, 진동 발전 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 베이스 기판은,
    제1 변 및 제2 변이 다른 두 변보다 짧은 4개의 변을 가지고, 상기 지지부를 상기 제1 변으로서 포함하는 프레임부와,
    상기 프레임부와 상기 캔틸레버부 사이에 형성된 개구를 포함하는, 진동 발전 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지부는, 상기 캔틸레버부의 일표면이 상기 프레임부의 일표면과 동일 평면이 되어 함께 상기 베이스 기판의 상기 표면을 형성하도록, 상기 베이스 기판의 상기 표면 측에서 상기 캔틸레버부를 지지하고,
    상기 개구는 U자 형상의 슬릿인, 진동 발전 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전층 및 상기 제2 압전층은, 각각 상기 중간 전극의 양면에 직접 접합되어 있는, 진동 발전 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중간 전극은 1개 또는 복수의 도전층만으로 이루어지는, 진동 발전 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 진동 발전 소자와,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극에 각각 전기적으로 접속되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자와, 공통 전극으로서의 상기 중간 전극에 전기적으로 접속되는 공통 단자를 포함하고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 출력되는 2상 교류를 직류로 변환하도록 구성되는 2상 전파 정류기
    를 포함하는 진동 발전 장치.
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