KR101526254B1 - 진동 발전 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents

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노리히로 야마우치
도모아키 마쓰시마
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파나소닉 주식회사
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Abstract

진동 발전 디바이스는, 프레임부, 상기 프레임부의 내측에 설치된 추부, 상기 프레임부와 상기 추부 사이를 이어 상기 추부가 변위함으로써 휘는 휨부, 및 적어도 상기 휨부에 배치되고 상기 추부의 진동에 따라 교류 전압을 발생하도록 구성되는 발전부을 포함한다. 상기 프레임부 및 상기 추부는 실리콘 기판을 사용하여 형성된다. 상기 발전부의 표면에는 수지 재료로 형성된 탄성막을 구비한다. 상기 휨부는, 상기 프레임부와 상기 추부를 구성하는 실리콘보다 영률이 작은 상기 수지 재료를 사용하여 형성한 상기 탄성막으로 이루어진다.

Description

진동 발전 디바이스 및 그 제조 방법 {VIBRATION POWER GENERATION DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 MEMS(micro electro mechanical systems, 미소 전자 기기) 기술을 사용하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 진동 발전 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 차나 사람의 움직임 등 임의의 진동에 기인한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 MEMS 디바이스의 일종인 발전 디바이스가 있다. 이와 같은 발전 디바이스와 관련한 각종 연구가 이루어지고 있다(예를 들면, R. van Schai jk, et al, "Piezoelectric ALN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solution", IEEE SENSORS 2008 Conference, 2008, p.45­48(이하 "문헌 1"이라고 함).
여기에서, 상기 문헌 1에 나타난 발전 디바이스는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 주체 기판(4), 제1 커버 기판(5) 및 제2 커버 기판(6)을 포함한다. 주체 기판(4)은 프레임부(1) 및 프레임부(1)의 내측에 배치되고 가요성의 휨부(2)를 통하여 요동 가능하게 지지된 추부(錘部)(3)를 가지고, 소자 형성용 기판을 사용하여 형성된다. 제1 커버 기판(5)은, 제1 커버 형성용 기판을 사용하여 형성되고, 주체 기판(4)의 일표면 측에서 프레임부(1)가 고착된다. 제2 커버 기판(6)은, 제2 커버 형성용 기판을 사용하여 형성되고, 주체 기판(4)의 타표면 측에서 프레임부(1)가 고착된다. 또, 주체 기판(4)의 휨부(2)에, 추부(3)의 진동에 따라 교류 전압을 발생하는 발전부(7)가 형성되어 있다. 그리고, 발전부(7)는 하부 전극(8), 압전층(9), 상부 전극(10)의 적층 구조를 가진다.
그러나, 전술한 바와 같은 모노리식 발전 디바이스에서는, 추부(3)가 되는 실리콘의 밀도가 금속 재료보다 비교적 작고, 휨부(2)가 되는 실리콘이 금속 재료보다 영률이 크기 때문에, 외부 진동에 대하여 추부(3)가 충분히 진동하지 않고, 출력이 작아진다는 과제가 있었다.
본 발명은 상기 배경기술을 감안하여 발명된 것으로, 그 과제는 외부 진동을 양호한 효율로 추부에 전달하는 진동 발전 디바이스 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 진동 발전 디바이스는, 프레임부, 상기 프레임부의 내측에 설치된 추부, 상기 프레임부와 상기 추부 사이를 이어 상기 추부가 변위함으로써 휘는 휨부, 및 적어도 상기 휨부에 배치되고 상기 추부의 진동에 따라 교류 전압을 발생하도록 구성되는 발전부를 포함한다. 상기 프레임부 및 상기 추부는 실리콘 기판을 사용하여 형성된다. 상기 발전부의 표면에는 수지 재료로 형성된 탄성막을 구비한다. 상기 휨부는 상기 프레임부 및 상기 추부를 구성하는 실리콘보다 영률이 작은 상기 수지 재료를 사용하여 형성한 상기 탄성막으로 이루어진다. 바람직하게는, 상기 휨부는, 상기 탄성막, 및 상기 실리콘 기판에 대한 에칭 중지층 중, 적어도 상기 탄성막만으로 이루어지고, 상기 발전부가 구비된다.
또, 이 진동 발전 디바이스에 있어서, 상기 탄성막은 상기 추부에 까지 연장되어 형성되어 있는 것이 바람직하다.
진동 발전 디바이스의 제조 방법에 있어서, 상기 프레임부 및 상기 추부는 에칭 중지층을 형성한 실리콘 기판을 사용하여 형성하고, 상기 휨부는 상기 에칭 중지층에 이를 때까지 상기 실리콘 기판을 에칭하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 진동 발전 디바이스에 있어서, 상기 휨부는, 상기 프레임부 및 상기 추부를 구성하는 실리콘보다 영률이 작은 상기 수지 재료를 사용하여 형성한 상기 탄성막으로 이루어진다. 이로써, 비교적 저가속도의 외부 진동에 대해서도 상기 발전부는 큰 출력을 얻을 수 있게 하고, 또, 상기 탄성막을 구비함으로써, 상기 추부의 진동에 의한 상기 발전부의 파손을 억제할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 기술한다. 본 발명의 다른 특징 및 이점은, 이하의 상세한 기술 및 첨부 도면과 관련하여 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 진동 발전 디바이스의 개략 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 진동 발전 디바이스에서의 실리콘 기판 부위의 개략 평면도이다.
도 3의 A는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 진동 발전 디바이스에서의 탄성막 부위의 개략 평면도와 실리콘 기판 부위의 도 2의 A-A′단면에서의 개략 단면도이고, 도 3의 B는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 진동 발전 디바이스에서의 탄성막 부위의 변형예의 개략 평면도와 실리콘 기판 부위의 변형예의 도 2의 A-A′단면에서의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 진동 발전 디바이스의 개략 분해 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 진동 발전 디바이스에서의 실리콘 기판 부위의 제조 방법을 설명하기 위한 도 2의 A-A′단면에서의 주요 공정 단면도이다.
도 6은 종래예를 나타내는 진동 발전 디바이스의 개략 단면도이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예인 진동 발전 디바이스를 나타낸다. 이 진동 발전 디바이스는, 적어도, 프레임부(11)와 추부(12)와 휨부(13)와 발전부(18)를 포함한다. 추부(12)는 프레임부(11)의 내측에 설치되어 있다. 휨부(13)는 프레임부(11)와 추부(12) 사이를 이어, 추부(12)가 변위함으로써 휘도록 형성된다. 발전부(18)는 적어도 휨부(13)에 배치되고 추부(12)의 진동에 따라 교류 전압을 발생하도록 구성된다. 프레임부(11) 및 추부(12)는 실리콘 기판(25)를 사용하여 형성된다. 발전부(18)의 표면에는, 수지 재료로 형성된 탄성막(20)이 형성된다. 휨부(13)는 프레임부(11)와 추부(12)를 구성하는 실리콘보다 영률이 작은 수지 재료를 사용하여 형성한 탄성막(20)으로 이루어진다. 또, 탄성막(20)은 추부(12)에 까지 연장되어 형성되어 있다.
또, 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 진동 발전 디바이스의 제조 방법에 있어서, 프레임부(11) 및 추부(12)는 에칭 중지층(후술하는 실리콘 산화막(36))을 형성한 실리콘 기판(25)을 사용하여 형성하고, 휨부(13)는 에칭 중지층에 이를 때까지 실리콘 기판(25)을 에칭하여 형성하고 있다.
이 실리콘 기판(25)은 제1 및 제2 표면을 가지고, 발전부(18)는 제1 표면 측에 형성된다. 실리콘 기판(25)은, 그 제1 표면 측으로부터, 실리콘 산화막(36)과, 발전부(18)와, 실리콘보다 영률이 낮은 수지 재료를 사용하여 형성하는 탄성막(20)을 가진다. 여기서, 프레임부(11) 및 추부(12)는 실리콘 기판(25)과 실리콘 산화막(36)과 탄성막(20)을 주체로 하고, 휨부(13)는 탄성막(20)을 주체로 하여 구성하고 있다. 바람직하게는, 도 3의 A 및 B에 나타낸 휨부(13)의 각 실리콘 산화막(36)은 제거된다. 요컨대, 본 발명의 휨부(13)는 탄성막(20), 및 실리콘 기판(25)에 대한 에칭 중지층 중, 적어도 탄성막(20)만으로 이루어지고, 발전부(18)가 구비된다. 따라서, 본 발명의 휨부는 에칭 중지층을 포함해도 된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 이 진동 발전 디바이스는, 실리콘 기판(25)의 제1 표면에 프레임부(11)와 고착된 제1 커버 기판(29)을 가진다. 또, 진동 발전 디바이스는 실리콘 기판(25)의 제1 표면과 반대 측의 제2 표면에 프레임부(11)와 고착된 제2 커버 기판(30)을 가진다. 이들 제1 커버 기판(29) 및 제2 커버 기판(30)은 실리콘이나 유리 등을 사용하여 형성하고 있다. 이와 같이, 도 1의 예에서는, 진동 발전 디바이스는 실리콘 기판(25)과 제1 커버 기판(29)과 제2 커버 기판(30)을 사용하여 구성되어 있다.
이하, 본 실시예에서의 진동 발전 디바이스 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 상세하게 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 프레임부(11)을 평면에서 볼 때의 외형 형상은 직사각형 형상이다. 또, 프레임부(11)의 내측에 형성된 추부(12) 및 휨부(13)를 평면에서 볼 때의 외형 형상도, 프레임부(11)의 외형 형상과 마찬가지로 직사각형 형상이다. 또, 휨부(13)에 배치된 발전부(18)를 평면에서 볼 때의 외형 형상은 휨부(13)의 외형 형상을 따른 직사각형 형상이다. 다시 말해, 추부(12)는 제1 및 제2 단을 포함하고, 자유단 및 피(被)지지단을 각각 제1 및 제2 단에 가진다. 피지지단은 휨부(13)을 통하여, 지지부로서의 프레임부(11)의 일부에 지지된다. 도 3의 예에서는, 프레임부(11)는 직사각형 구멍을 가지는 직사각형 프레임이며, 추부(12)는 그 프레임부(11) 내에 배치되는 직사각형 판형이며, 상기 제1 및 제2 단은 추부(12)의 길이 방향의 양단에 대응한다. 또, 탄성막(20)은, 적어도, 추부(12)의 피지지단의 에지부와 프레임부(11)의 지지부의 에지부 사이에 형성되어 있다.
그리고, 이 진동 발전 디바이스는 발전부(18)를 구비하고, 이것은 실리콘 기판(25)의 제1 표면 측에 형성된 실리콘 산화막(36)의 표면에 형성되어 있다. 즉, 실리콘 산화막(36)의 표면 측으로부터 차례로 하부 전극(15), 압전층(16), 상부 전극(17)이 적층되고, 이들이 발전부(18)를 구성하고 있다. 또, 실리콘 산화막(36)의 상기 표면 측에는 하부 전극(15) 및 상부 전극(17) 각각에 금속 배선으로 이루어지는 접속 배선(31a, 31c)이 형성되어 있다. 또, 실리콘 산화막(36)의 상기 표면 측에는 접속 배선(31a, 31c)을 통하여 전기적으로 접속된 하부 전극용 패드(32a)와 상부 전극용 패드(32c)가 형성되어 있다.
발전부(18)에 있어서는, 하부 전극(15)의 평면 사이즈가 가장 크게, 두 번째로 압전층(16)의 평면 사이즈가 크게, 상부 전극(17)의 평면 사이즈가 가장 작게 설계하고 있다. 본 실시예에서는, 평면에서 볼 때, 하부 전극(15)의 외주선(外周線)의 내측에 압전층(16)이 위치하고, 압전층(16)의 외주선의 내측에 상부 전극(17)이 위치하고 있다.
또, 도 3의 A에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(25)의 제1 표면 측 전체를 덮도록 수지 재료로 탄성막(20)을 형성해도 된다. 이러한 경우, 탄성막(20)은, 하부 전극용 패드(32a) 및 상부 전극용 패드(32c)로부터 교류 전압을 인출하기 위하여, 그것들에 대응하는 위치에 관통 구멍(23)을 설치하고 있고, 이 관통 구멍(23)에 금속막을 형성하고 있다. 또, 이 수지 재료는, PMMA(폴리 메타크릴산 메틸 수지)나 폴리이미드 등을 사용하고 있다. 또, 도 3의 B에 나타낸 바와 같이, 탄성막(20)은 적어도 발전부(18)를 덮고 있으면 된다. 이러한 경우, 하부 전극용 패드(32a), 상부 전극용 패드(32c)가 표면에 노출되어 있으면, 관통 구멍(23)을 설치할 필요는 없다. 또, 이 관통 구멍(23)을 평면에서 볼 때의 형상은, 대략 사각형, 대략 원형 등, 배선을 설치할 수 있으면, 이에 한정되지 않는다.
또, 도 4에 나타낸 바와 같이, 발전부(18)는 실리콘 산화막(36)의 상기 표면 측으로부터 하부 전극(15)과 압전층(16)과 상부 전극(17)을 차례로 적층함으로써 형성되어 있다. 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 맞춰져 있는 편이, 발전부(18)에 진동하여도 발전에 기여하지 않는 부분이 존재하지 않고, 발전량의 향상을 도모하므로 바람직하다.
실리콘 기판(25)의 제1 표면 측에는, 상부 전극(17)에 전기적으로 접속되는 접속 배선(31c)과 하부 전극(15)와의 단락 방지용 절연부(35)가, 하부 전극(15) 및 압전층(16) 각각에서의 프레임부(11) 측의 단부를 덮는 형태로 형성되어 있다. 또, 절연부(35)를 설치할 때, 절연부(35)는 실리콘 산화막에 의해 구성되지만, 실리콘 산화막에 한정되지 않고, 실리콘 질화막에 의해 구성되어도 된다. 또, 실리콘 기판(25)과 하부 전극(15) 사이에 MgO층으로 이루어지는 시드층(seed layer)(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 또, 실리콘 기판(25)의 제1 표면 측 및 제2 표면 측에는 각각, 실리콘 산화막(36, 37)이 형성되어 있다. 그리고, 본 실시예에서는 실리콘 기판(25)을 구성하는 기판 재료가 실리콘이므로, 그 실리콘 기판(25)의 제1 표면의 실리콘 산화막(36)은 에칭 중지층이 된다. 휨부(13)를 형성할 때는, 휨부(13)에 대응하는 실리콘 기판의 부분을 모두 에칭에 의해 제거한다. 그리고, 이들 배선 패턴이나 발전부(18)는 실리콘 기판(25) 상에 형성되어 있지만, 탄성막(20)에 의해 덮이므로, 평면에서 볼 때 육안으로 관찰되지 않는다. 그리고, 탄성막(20)은, 하부 전극용 패드(32a) 및 상부 전극용 패드(32c)로부터 교류 전압을 인출하기 위하여, 그것들에 대응하는 위치에 관통 구멍(23)을 설치하고 있다.
또, 제1 커버 기판(29)은 제1 및 제2 표면을 가지고, 제1 커버 기판(29)의 제2 표면이 실리콘 기판(25)의 제1 표면 측에 접합된다. 실리콘 기판(25) 측의 제2 표면 측의 일부에, 추부(12) 및 휨부(13)로 이루어지는 가동부의 변위 공간을 형성하고, 이 변위 공간을 제1 오목부(38)로 하고 있다.
제1 커버 기판(29)의 제1 표면 측에, 발전부(18)에서 발생한 교류 전압을 외부로 공급하기 위한 출력용 전극(40, 40)을 형성하고 있다. 출력용 전극(40, 40)은 각각, 제1 커버 기판(29)의 제2 표면 측에 형성된 연락용 전극(41, 41)과 제1 커버 기판(29)의 두께 방향으로 관통하여 설치된 관통 구멍 배선(42, 42)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 제1 커버 기판(29)의 연락용 전극(41, 41)이 각각, 실리콘 기판(25)의 하부 전극용 패드(32a) 및 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, 이들 재료나 층 구조는 특별히 한정되지 않는다. 또, 각 관통 구멍 배선(42, 42)의 재료로서는 Cu를 채용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, Ni, Al 등을 채용해도 된다.
본 실시예에서는, 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 제1 표면 측 및 제2 표면 측과 관통 구멍 배선(42, 42)의 내측에 형성된 관통 구멍(44, 44)의 내주면에 걸쳐 형성되어 있다. 그리고, 제1 커버 기판(29)으로서 유리를 사용한 기판의 같은 절연성 기판을 사용하는 경우에는, 이와 같은 절연막(43)은 설치할 필요는 없다.
또, 제2 커버 기판(30)은 제1 및 제2 표면을 가지고, 제2 커버 기판(30)의 제1 표면이 실리콘 기판(25)의 제2 표면 측에 접합된다. 제2 커버 기판(30)의 제1 표면 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 기판의 같은 절연성 기판을 사용해도 된다.
또, 탄성막(20)을 구비한 실리콘 기판(25)과 제1 커버 기판(29)은 접착제 등으로 접합되어 있다. 그리고, 실리콘 기판(25)과 제2 커버 기판(30)은 상온 접합법에 의해 접합되어 있지만, 상온 접합법에 한정되지 않고, 예를 들면, 양극(陽極) 접합법이나, 에폭시 수지 등을 사용한 수지 접합법 등에 의해 접합해도 된다. 그리고, 본 실시예의 진동 발전 디바이스는 MEMS 디바이스의 제조 기술 등을 이용하여 형성되어 있다.
이상, 설명한 본 실시예의 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 발생하여, 발전부(18)에서 교류 전압이 발생한다.
여기서, 진동 발전 디바이스의 압전층(16)에 사용되는 압전 재료의 비유전률을ε, 압전 정수를 e, 발전 지수를 P라고 하면, P ∝ e2/ε의 관계가 성립되어, 발전 지수 P가 클수록 발전 효율이 커지게 된다. 진동 발전 디바이스에 사용되는 대표적인 압전 재료인 PZT 및 AlN 각각의 압전 정수 e, 비유전률ε의 일반적인 값으로 볼 때, 발전 지수 P에 제곱으로 효력이 있는 압전 정수 e가 큰 PZT를 채용한 편이 발전 지수 P를 크게 할 수 있다. 본 실시예에서의 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 그외의 불순물을 첨가한 PZT를 채용해도 된다. 단, 압전층(16)의 압전 재료는 납계 압전 재료에 한정되지 않고, 다른 압전 재료를 채용해도 된다.
이하, 본 실시예의 진동 발전 디바이스의 제조 방법에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명하지만, 도 5의 A 내지 H는 도 2의 A-A′단면에 대응하는 부위를 나타내고 있다.
먼저, 실리콘을 사용하여 형성되는 실리콘 기판(25)의 제1 표면 측과 제2 표면 측에 각각 실리콘 산화막(36, 37)을 열산화법 등에 의해 형성하는 절연막 형성 공정을 행함으로써 도 5의 A에 나타낸 구조를 얻는다. 상세하게는, (제1) 실리콘 산화막(36)은 실리콘 기판(25)의 제1 표면 전(全)면에 형성되는 한편, (제2) 실리콘 산화막(37)은 휨부(13)의 형성 영역을 제외한 실리콘 기판(25)의 제2 표면에 형성된다.
그 후, 실리콘 기판(25)의 제1 표면의 전면에 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, 금속층(50)의 전면에 압전 재료(예를 들면, PZT 등)으로 이루어지는 압전층(16)의 기초가 되는 압전막(51)(예를 들면, PZT막 등)을 스퍼터법이나 CVD법이나 졸겔법 등에 의해 형성하는 압전막 형성 공정을 행함으로써 도 5의 B에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 금속층(50)은 Pt층에 한정되지 않고, 예를 들면, Al층이나 Al-Si층이라도 되고, Pt층과 이 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 후, 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 C에 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 D에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 본 실시예의 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 제1 표면 측에 절연부(35)를 형성하는 절연부 형성 공정을 행함으로써, 도 5의 E에 나타낸 구조를 얻는다. 절연부 형성 공정에서는, 기판(25)의 제1 표면 측의 전면에 절연층을 CVD법 등에 의해 형성하고 나서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝하고 있지만, 리프트 오프법을 이용하여 절연부(35)를 형성하도록 해도 된다.
전술한 절연부 형성 공정 후, 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 스퍼터법이나 CVD법 등의 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 에칭 기술을 이용하여 형성하는 배선 형성 공정을 행함으로써, 도 5의 F에 나타낸 구조를 얻는다. 다시 말해, 본 실시예에서는, 상부 전극 형성 공정에 있어서, 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 되며, 예를 들면, Au막을 옥화칼륨 수용액, Ti막을 과산화수소수로 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, 실리콘 기판(25)의 제1 표면 측의 전면에 수지 재료를 사용한 탄성막(20)을 스핀 코트법 및 포토리소그래피 기술에 의해 형성함으로써, 도 5의 G에 나타낸 구조를 얻는다.
탄성막 형성 공정에 이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여 프레임부(11)와 추부(12)와 휨부(13)를 형성하는 기판 가공 공정을 행함으로써, 도 5의 H에 나타낸 구조를 얻는다. 여기서, 기판 가공 공정에서는, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술 등을 이용하여 실리콘 기판(25)을 제2 표면 측에서 실리콘 산화막(36)에 이를 때까지, 프레임부(11) 및 추부(12) 이외의 부위를 에칭에 의해 제거함으로써, 이면(裏面) 홈을 형성하는 이면 홈 형성 공정을 행한다. 이어서, 실리콘 산화막(36)을 에칭함으로써, 연결하여 통하게 하고, 프레임부(11)와 추부(12)와 휨부(13)를 형성한다. 이때, 실리콘 산화막(37)도 또한, 에칭에 의해 제거된다. 이 에칭 공정을 행함으로써, 도 5의 H에 나타낸 구조의 발전 디바이스를 얻는다.
그런데, 본 실시예에서는, 기판 가공 공정의 이면 홈 형성 공정에 있어서, 수직으로 깊게 팔 수 있는 결합 플라즈마(ICP)형의 에칭 장치를 사용하여 실리콘 기판(25)을 에칭하므로, 실리콘 산화막(36)의 이면과 프레임부(11)의 내측면이 이루는 각도를 대략 90도로 할 수 있다. 그리고, 기판 가공 공정의 이면 홈 형성 공정은, ICP형의 드라이 에칭 장치를 사용한 드라이 에칭에 한정되지 않고, 이방성이 높은 에칭이 가능하면 되고, 다른 드라이 에칭 장치를 사용해도 된다. 또, 실리콘 기판(25)의 제1 표면이 (110)면인 경우에는, TMAH 수용액이나 KOH 수용액 등의 알칼리계 용액을 사용한 습식 에칭(결정 이방성 에칭)이라도 된다.
그리고, 본 실시예의 발전 디바이스는, 기판 가공 공정이 종료될 때까지를 웨이퍼 레벨로 행하고 나서, 다이싱 공정을 행함으로써 개개의 발전 디바이스에 분할하도록 하고 있다.
본 실시예에서는, 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 진동 발전 디바이스에 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)에는, 하부 전극(15) 상에 압전층(16)을 형성하고 있지만, 하부 전극(15)과 압전층(16) 사이에, 압전층(16)을 성막할 때 베이스부가 되는 버퍼층(도시되지 않음)을 개재시킴으로써, 압전층(16)의 결정성을 더욱 향상시켜도 된다. 버퍼층의 재료로서는, 도전성 산화물 재료의 일종인 SrRuO3, Pb, RaTiO3, PbTiO3 등을 채용하면 된다.
또, 이 진동 발전 디바이스는, 예를 들면, 복수 개가 나란히 놓여 2차원 어레이형으로 배열된 어레이화 진동 발전 디바이스라도 된다.
따라서, 본 실시예의 진동 발전 디바이스에서는, 프레임부(11) 및 추부(12)는 실리콘 기판(25)을 사용하여 형성된다. 발전부(18)의 표면은 수지 재료로 형성된 탄성막(20)을 구비한다. 휨부(13)는 프레임부(11)와 추부(12)를 구성하는 실리콘보다 영률이 작은 수지 재료를 사용하여 형성한 탄성막(20)으로 이루어진다. 이로써, 비교적 저가속도의 외부 진동에 대해서도 상기 발전부는 큰 출력을 얻을 수 있게 하고, 탄성막(20)을 구비함으로써 추부(12)의 진동에 의한 휨부(13)의 파손을 억제할 수 있다.
또, 본 실시예의 진동 발전 디바이스에서, 탄성막(20)은 추부(12)에 까지 연장되어 형성되어 있다. 이로써, 추부(12)의 진동에 의한 휨부(13)의 파손을 억제하면서, 추부(12)의 질량을 크게 함으로써, 더 큰 출력을 얻을 수 있다.
또, 본 실시예의 진동 발전 디바이스에 있어서, 이 진동 발전 디바이스의 제조 방법에서, 프레임부(11) 및 추부(12)는 에칭 중지층을 형성한 실리콘 기판을 사용하여 형성하고, 휨부(13)는 에칭 중지층에 이를 때까지 실리콘 기판(25)을 에칭하여 형성하고 있다. 이로써, 비교적 염가의 실리콘을 사용할 수 있으므로, 복잡한 프로세스를 포함하지 않고 진동 발전 디바이스를 제작할 수 있다.
본 발명을 몇몇 바람직한 실시예에 대하여 기술했지만, 본 발명의 본래의 정신 및 범위, 즉 특허청구범위를 일탈하지 않고, 당업자에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 프레임부, 상기 프레임부의 내측에 설치된 추부, 상기 프레임부와 상기 추부 사이를 이어 상기 추부가 변위함으로써 휘는 휨부, 및 적어도 상기 휨부에 배치되고 상기 추부의 진동에 따라 교류 전압을 발생하도록 구성되는 발전부을 포함한 진동 발전 디바이스로서,
    상기 프레임부 및 상기 추부는 실리콘 기판을 사용하여 형성되고,
    상기 휨부는 상기 프레임부와 상기 추부를 구성하는 실리콘보다 영률이 작은 수지 재료를 사용하여 형성한 탄성막으로 이루어지며,
    상기 수지 재료로 형성된 상기 탄성막이, 상기 휨부에 배치된 상기 발전부의 표면에 구비되는, 진동 발전 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    표면에 상기 탄성막을 구비하는 상기 발전부의 이면(裏面)에, 에칭 중지층이 구비되는, 진동 발전 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄성막은 상기 추부에 까지 연장되어 형성되어 있는, 진동 발전 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 상기 진동 발전 디바이스의 제조 방법으로서,
    상기 프레임부 및 상기 추부는 에칭 중지층을 형성한 실리콘 기판을 사용하여 형성하고,
    상기 휨부는 상기 에칭 중지층에 이를 때까지 상기 실리콘 기판을 에칭하여 형성하는, 진동 발전 디바이스의 제조 방법.
  5. 제3항에 기재된 상기 진동 발전 디바이스의 제조 방법으로서,
    상기 프레임부 및 상기 추부는 에칭 중지층을 형성한 실리콘 기판을 사용하여 형성하고,
    상기 휨부는 상기 에칭 중지층에 이를 때까지 상기 실리콘 기판을 에칭하여 형성하는, 진동 발전 디바이스의 제조 방법.
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