KR20120074556A - Piezoelectric harverster of microelectromechanical system type - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A MEMS(Micro Electro Mechanical System) type piezoelectricity energy harvest is provided to improve the degree of integration by including a rectifier circuit in a semiconductor substrate. CONSTITUTION: A semiconductor substrate comprises a cavity. The thickness of the semiconductor substrate is 400 to 700micrometers. A buffer layer is formed on the upper side of the semiconductor substrate. A cantilever(140) comprises a piezoelectric film capable of changing vibration energy to electrical energy. A rectifier element(160) is formed at the bottom of the semiconductor substrate. The rectifier element is electrically connected with the cantilever. A charging element(180) stores the electrical energy rectified by the rectifier element.

Description

ＭＥＭＳ 타입의 압전 에너지 하베스터{PIEZOELECTRIC HARVERSTER OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM TYPE}Piezoelectric energy harvester of MEMS type {PIEZOELECTRIC HARVERSTER OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM TYPE}

본 발명은 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판에 정류 회로를 내장하는 것을 통하여 슬림한 구조를 가지는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
The present invention relates to a piezoelectric energy harvester of the MEMS type, and more particularly, to a piezoelectric energy harvester of the MEMS type having a slim structure through a built-in rectifier circuit in a semiconductor substrate.

에너지 하베스팅 기술은 태양광 발전, 열전소자의 지백(Zeeback) 효과를 이용하여 온도 차로부터 전기 에너지를 얻는 열전 발전 및 압전체를 이용하여 주변의 진동이나 충격으로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전으로 나눌 수 있다.Energy harvesting technology can be divided into photovoltaic power generation, thermoelectric power generation that obtains electrical energy from temperature difference using the Zeeback effect of thermoelectric elements, and piezoelectric power generation that obtains electrical energy from surrounding vibration or shock using piezoelectric elements. .

특히, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이 인가될 경우, 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다.
In particular, the energy harvesting technology using a piezoelectric means converting energy such as force, pressure, vibration, etc. that is thrown away by using the effect of generating electrical energy when mechanical deformation is applied to the piezoelectric material.

압접체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이하며 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 그래서 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다.The energy harvesting technology using the press-contacting body is easy to convert small vibrations into electrical energy, and has the advantage of generating power even in dark places or at night without sunlight. So it can always be used where there is vibration, where pressure or force is applied, and where there is water flow or wind.

압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 소자의 사이즈에 따라 매크로 타입의 압전 에너지 하베스터와, MEMS(microelectromechanical system)를 이용한 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터로 구분될 수 있다.
The energy harvesting technology using a piezoelectric body may be classified into a macro type piezoelectric energy harvester and a micro type piezoelectric energy harvester using a microelectromechanical system (MEMS) according to the size of the device.

매크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우 사람의 움직임이나 자동차의 진동 등과 같이 큰 움직임이나 진동으로부터 에너지를 발전한 후, 충전을 통해 보조 전력으로 사용하거나 대용량 발전을 하는 반면, 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우는 MEMS 공정을 이용한 박막 형태 등의 초소형 전기기계식 구조를 설계 및 제조함으로써 소량의 진동이나 충격으로부터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 센서나 소형 전자기기의 전원으로 이용하게 된다.In the case of the macro type piezoelectric energy harvester, energy is generated from large movements or vibrations such as human movement or the vibration of a car, and then used as auxiliary power through charging or large capacity power generation. By designing and manufacturing a micro electromechanical structure such as a thin film using a MEMS process, mechanical energy from a small amount of vibration or shock is converted into electrical energy and used as a power source for a sensor or a small electronic device.

그러나, 종래의 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우, 정류회로가 별도로 필요하여 고직접화를 구현하는 데 어려움이 따르는 문제점이 있었다.
However, in the case of the conventional micro-type piezoelectric energy harvester, there is a problem in that it requires a separate rectifier circuit, which makes it difficult to implement high directivity.

본 발명의 하나의 목적은 슬림한 구조를 가지면서도 고집적화를 구현할 수 있는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 제공하는 데 있다.
One object of the present invention is to provide a piezoelectric energy harvester of the MEMS type that can implement high integration while having a slim structure.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 캐비티를 구비한 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버; 상기 반도체 기판의 하면에 부착되어 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및 상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
MEMS type piezoelectric energy harvester having an excellent energy conversion efficiency according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate having a cavity; A cantilever having one end fixed to the semiconductor substrate and having a piezoelectric film extending from the one end into the cavity to convert vibration energy into electrical energy; A rectifying element attached to a lower surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the cantilever having the piezoelectric film; And a charging device for storing the electrical energy rectified by the rectifying device.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 제1 캐비티 및 제2 캐비티를 구비한 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버; 상기 반도체 기판의 제2 캐비티 내부에 삽입 배치되며, 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및 상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
MEMS type piezoelectric energy harvester with excellent energy conversion efficiency according to an embodiment of the present invention for achieving the above another object is a semiconductor substrate having a first cavity and a second cavity; A cantilever having one end fixed to the semiconductor substrate and having a piezoelectric film extending from the one end into the cavity to convert vibration energy into electrical energy; A rectifying element inserted into the second cavity of the semiconductor substrate and electrically connected to the cantilever having the piezoelectric film; And a charging device for storing the electrical energy rectified by the rectifying device.

본 발명에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 반도체 기판에 정류 회로를 내장하는 것을 통하여 집적도가 향상되고 슬림한 구조를 가지면서도 에너지 변환 효율이 우수한 효과가 있다.
The piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to the present invention has an effect of improving the degree of integration and having a slim structure and excellent energy conversion efficiency by embedding a rectifier circuit in a semiconductor substrate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 단면도이다.1 is a perspective view showing a piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram illustrating a piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 변환 효율이 우수한 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a piezoelectric energy harvester of the MEMS type having excellent energy conversion efficiency according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 회로도이다.1 is a perspective view showing a piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a circuit diagram showing a piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(100)는 반도체 기판(120), 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140, cantilever), 정류 소자(160) 및 충전 소자(180)를 포함한다.
1 and 2, the piezoelectric energy harvester 100 of the MEMS type according to an embodiment of the present invention may include a semiconductor substrate 120, a cantilever 140 having a piezoelectric film 146, and a rectifying device. 160 and charging element 180.

반도체 기판(120)은 단결정 실리콘으로 이루어진 베어 웨이퍼를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 반도체 기판(120)은 상면으로부터 하면 방향으로 일부 두께가 제거된 캐비티(C)를 구비할 수 있다. 이러한 캐비티(C)는 반도체 기판(120)의 중앙부에 매트릭스 형태(matrix type)로 배치될 수 있다.The semiconductor substrate 120 preferably uses a bare wafer made of single crystal silicon. The semiconductor substrate 120 may include a cavity C from which a part thickness is removed from an upper surface thereof. The cavity C may be arranged in a matrix type at the center of the semiconductor substrate 120.

이러한 반도체 기판(120)은 100mm의 두께를 갖는 베어 웨이퍼를 백그라인딩으로 400 ~ 700㎛의 두께가 되도록 얇게 연마한 것을 이용하는 것이 바람직하다.
The semiconductor substrate 120 is preferably a thin wafer polished to a thickness of 400 ~ 700㎛ by backgrinding a bare wafer having a thickness of 100mm.

상기 반도체 기판(120)의 상면에는 버퍼층(150)이 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층(150)으로는 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx)이 이용될 수 있다. 도면으로 나타내지는 않았지만, 상기 버퍼층(150)은 반도체 기판(120)의 상면과 더불어 하면에 형성될 수도 있다.A buffer layer 150 may be formed on the top surface of the semiconductor substrate 120. As the buffer layer 150, a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiNx) may be used. Although not illustrated, the buffer layer 150 may be formed on the bottom surface of the semiconductor substrate 120 together with the top surface thereof.

이때, 상기 버퍼층(150)은 20 ~ 200nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 버퍼층(150)의 두께가 20nm 미만일 경우에는 반도체 기판(120)의 표면에 데미지가 발생할 우려가 있다. 반대로, 버퍼층(150)의 두께가 200nm를 초과할 경우에는 하베스팅 특성 저하에 영향을 끼칠수 있으며 공정 시간만을 상승시키는 문제를 야기할 수 있다.
In this case, the buffer layer 150 is preferably formed to a thickness of 20 ~ 200nm. If the thickness of the buffer layer 150 is less than 20 nm, damage may occur on the surface of the semiconductor substrate 120. On the contrary, when the thickness of the buffer layer 150 exceeds 200 nm, it may affect the harvesting characteristics and cause a problem of only increasing the process time.

압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)는 반도체 기판(120)에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티(C) 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.One end of the cantilever 140 having the piezoelectric film 146 is fixed to the semiconductor substrate 120 and extends from the one end into the cavity C to convert vibration energy into electrical energy.

상기 캔틸레버(140)는 반도체 기판(120)에 일단이 고정되며, 상기 캐비티(C) 내로 연장되는 지지대(142), 상기 지지대(142)의 상부 면에 형성되는 하부 전극(144), 상기 하부 전극(144)의 상부에 형성되는 압전막(146) 및 상기 압전막(146)의 상부에 형성되는 상부 전극(148)을 포함할 수 있다.
One end of the cantilever 140 is fixed to the semiconductor substrate 120, the support 142 extending into the cavity C, the lower electrode 144 formed on the upper surface of the support 142, and the lower electrode. A piezoelectric film 146 formed on the upper portion of the 144 and the upper electrode 148 formed on the piezoelectric film 146 may be included.

여기서, 상기 지지대(142)는 캐비티(C) 내로 연장 배치되어 반도체 기판(120)의 상면과 일정 간격 이격 배치될 수 있다. 이때, 상기 지지대(142)는 반도체 기판(120)의 일부가 활용될 수 있으며, 그 두께는 10 ~ 50㎛로 형성하는 것이 바람직하다.Here, the support 142 may be disposed to extend in the cavity C to be spaced apart from the upper surface of the semiconductor substrate 120 by a predetermined interval. In this case, a portion of the semiconductor substrate 120 may be utilized as the support 142, and the thickness of the support 142 may be 10 to 50 μm.

만약, 상기 지지대(142)의 두께가 10㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 미세한 외부 충격과 진동에도 갈라짐이나 깨짐 불량이 발생할 우려가 있다. 반대로, 지지대(144)의 두께가 50㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께치 이상으로 형성되는 데 기인하여 진동에 대한 반응이 낮아져 압전 효율이 저하되는 문제가 있다.
If the thickness of the support 142 is less than 10 μm, the thickness thereof may be too thin, so that cracking or cracking defects may occur even in a minute external shock and vibration. On the contrary, when the thickness of the support 144 exceeds 50 μm, there is a problem that the response to vibration is lowered due to the formation of an excessive thickness or more, thereby lowering the piezoelectric efficiency.

상기 상부 전극(144) 및 하부 전극(148)은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있으며, 이 중 전기 전도도가 우수한 백금을 이용하는 것이 바람직하다.
The upper electrode 144 and the lower electrode 148 are platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), tantalum (Ta), titanium (Ti), palladium (Pd), ruthenium ( Ru), tantalum nitride (TaN) and titanium nitride (TiN) may be formed of at least one selected from among, it is preferable to use platinum excellent in electrical conductivity.

상기 압전막(146)은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성될 수 있다.The piezoelectric film 146 is formed of Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Zn, Nb) O 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Ni, Nb) O 3 , (Na, K) NbO 3 − ( Li, Na, K) TaO 3 , (Ba, Bi, Na) TiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 + PVDF polymer, Pb (Zr, Ti) O 3 + silicon polymer and Pb (Zr, Ti) O 3 It can be formed of one selected from + epoxy polymers.

이때, 압전막(146)의 두께는 0.01 ~ 10㎛로 형성하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 압전막(146)의 두께가 0.01㎛ 미만일 경우에는 압전 효율이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 압전막(146)의 두께가 10㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께치 이상으로 더 이상의 압전 효율의 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
At this time, the thickness of the piezoelectric film 146 is preferably formed to 0.01 ~ 10㎛. If the thickness of the piezoelectric film 146 is less than 0.01 μm, there is a problem that the piezoelectric efficiency is lowered. On the contrary, when the thickness of the piezoelectric film 146 exceeds 10 μm, the piezoelectric film 146 may act as a factor of increasing the manufacturing cost without increasing the piezoelectric efficiency any more than the excessive thickness value.

또한, 상기 캔틸레버(140)는 압전막(146)과 하부 전극(148) 사이에 개재된 중간층(145)과 상기 지지대(142)의 끝단에 형성되는 프루프 매스(155, proof mass)를 더 포함할 수 있다.In addition, the cantilever 140 may further include an intermediate layer 145 interposed between the piezoelectric layer 146 and the lower electrode 148 and a proof mass 155 formed at an end of the support 142. Can be.

이때, 상기 중간층(145)은 압전막(146)과 하부 전극(148)의 접착 특성을 향상시키기 위해 형성되는 것으로, 그 재질로는 티타늄(Ti)을 이용하는 것이 바람직하다.In this case, the intermediate layer 145 is formed to improve the adhesive properties of the piezoelectric film 146 and the lower electrode 148, it is preferable to use titanium (Ti) as the material.

상기 프루프 매스(155)는 지지대(142) 하면의 끝단에 배치되어 반도체 기판(120)의 상면과 마주보도록 배치된다. 이러한 프루프 매스(155)는 에너지 출력을 향상시키기 위한 목적으로 형성되는 것으로, 그 재질로는 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 프루프 매스(155)는 반도체 기판(120)을 선택적으로 식각하는 것을 통하여 그 일부를 활용하는 것이 바람직하다.
The proof mass 155 is disposed at the end of the lower surface of the support 142 to face the upper surface of the semiconductor substrate 120. The proof mass 155 is formed for the purpose of improving the energy output, and it is preferable to use silicon as the material. In this case, it is preferable that the proof mass 155 utilizes a part of the proof mass 155 by selectively etching the semiconductor substrate 120.

정류 소자(160)는 반도체 기판(120)의 하면에 형성되며, 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)와 전기적으로 연결된다. 도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 상기 정류 소자(160)와 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)는 도전성 와이어 또는 도전 패턴(미도시)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.The rectifying element 160 is formed on the bottom surface of the semiconductor substrate 120 and is electrically connected to the cantilever 140 having the piezoelectric film 146. Although not shown in detail in the drawings, the cantilever 140 including the rectifying element 160 and the piezoelectric layer 146 may be electrically connected by a conductive wire or a conductive pattern (not shown).

이러한 정류 소자(160)는 P-형 반도체층과 N-형 반도체층이 접합되는 P-N 접합 다이오드(162)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압전막(146)을 구비한 캔틸레버(140)는 반도체 기판(120)의 상면에 매트릭스 형태로 복수개가 형성될 수 있는 데, 이 경우 P-N 접합 다이오드(162)는 매트릭스의 셀에 각각 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 P-N 접합 다이오드(162)는 브리지 회로 구조를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.
The rectifying device 160 may include a PN junction diode 162 to which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are bonded. Here, the cantilever 140 having the piezoelectric film 146 may be formed in plural in the form of a matrix on the upper surface of the semiconductor substrate 120. In this case, the PN junction diode 162 is formed in each cell of the matrix. It is desirable to. In this case, the PN junction diode 162 is preferably designed to have a bridge circuit structure.

충전 소자(180)는 정류 소자(160)에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장한다. 도면으로 제시하지는 않았지만, 상기 충전 소자(180)는 반도체 기판(120)의 주변에 배치되거나, 또는 반도체 기판(120)에 탑재될 수 있다. 상기 충전 소자(180)로는, 하나의 예를 들면, 캐패시터(capacitor)가 이용될 수 있다.
The charging device 180 stores the electrical energy rectified by the rectifying device 160. Although not shown in the drawings, the charging device 180 may be disposed around the semiconductor substrate 120 or mounted on the semiconductor substrate 120. As the charging element 180, for example, a capacitor may be used.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 외부의 미세 진동이나 충격에 의해 가해지는 스트레스가 압전막의 끝단에 설치되는 매스에 가해짐으로써, 압전막을 휘거나 구부러지도록 하여 전기 에너지를 생성하게 되고, 상기 전기 에너지는 반도체 기판의 하면에 부착되는 브리지 회로 구조를 갖는 정류 소자에 의하여 정류된 후 충전 소자에 저장되게 된다.The piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to an embodiment of the present invention having the above-described configuration is configured to bend or bend the piezoelectric film by applying a stress applied by external micro vibration or impact to a mass installed at the end of the piezoelectric film. Thereby generating electrical energy, and the electrical energy is rectified by a rectifying element having a bridge circuit structure attached to a lower surface of the semiconductor substrate and then stored in the charging element.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 반도체 기판에 정류 소자가 배치되기 때문에 슬림한 구조를 가지면서도 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
Therefore, the piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to the embodiment of the present invention has the effect of maximizing energy conversion efficiency while having a slim structure since the rectifier is disposed on the semiconductor substrate.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(200)는, 일 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(도 1의 100)와 다르게, 반도체 기판(220)의 상면에 제1 캐비티(C1)가 구비되고, 상기 상면에 반대되는 하면에 제2 캐비티(C2)가 구비될 수 있다.Referring to FIG. 3, the piezoelectric energy harvester 200 of the MEMS type according to another embodiment of the present invention is different from the piezoelectric energy harvester 100 of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention. A first cavity C1 may be provided on an upper surface of the second cavity, and a second cavity C2 may be provided on a lower surface opposite to the upper surface of the first cavity C1.

이때, 상기 제1 캐비티(C1)와 제2 캐비티(C2)는 상호 중첩되는 부분에 배치될 수 있으나, 이에 국한될 필요는 없다.
In this case, the first cavity C1 and the second cavity C2 may be disposed at portions overlapping each other, but need not be limited thereto.

특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(200)는 제2 캐비티(C2) 내에 정류 소자(260)가 내장되는 형태로 배치된다. 이와 같이, 상기 정류 소자(260)를 반도체 기판(220)의 제2 캐비티(C2) 내에 내장할 경우, 적층 두께의 감소로 고집적화를 구현하는 데 유리하다.In particular, the piezoelectric energy harvester 200 of the MEMS type according to another embodiment of the present invention is disposed in a form in which the rectifying element 260 is embedded in the second cavity C2. As such, when the rectifying device 260 is embedded in the second cavity C2 of the semiconductor substrate 220, it is advantageous to realize high integration by reducing the thickness of the stack.

이에 더불어, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터(200)는 캡 웨이퍼(290)를 더 포함할 수 있다. 이러한 캡 웨이퍼(290)는 반도체 기판(200)의 상면에 형성되는 압전막(246)을 구비한 캔틸레버(240)를 보호하는 기능을 한다.In addition, the piezoelectric energy harvester 200 of the MEMS type according to another embodiment of the present invention may further include a cap wafer 290. The cap wafer 290 serves to protect the cantilever 240 having the piezoelectric film 246 formed on the upper surface of the semiconductor substrate 200.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터는 일 실시예에 비하여 고집적화를 구현할 수 있다.
Therefore, the piezoelectric energy harvester of the MEMS type according to another embodiment of the present invention can implement higher integration than the embodiment.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 압전 에너지 하베스터 120 : 반도체 기판
140 : 캔틸레버 142 : 지지대
144 : 하부 전극 145 : 중간층
146 : 압전막 148 : 상부 전극
150 : 버퍼층 155 : 프루프 메스
160 : 정류 소자100 piezoelectric energy harvester 120 semiconductor substrate
140: cantilever 142: support
144: lower electrode 145: intermediate layer
146: piezoelectric film 148: upper electrode
150: buffer layer 155: proof scalpel
160: rectifying element

Claims (21)

캐비티를 구비한 반도체 기판;
상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버;
상기 반도체 기판의 하면에 형성되어 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및
상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
A semiconductor substrate having a cavity;
A cantilever having one end fixed to the semiconductor substrate and having a piezoelectric film extending from the one end into the cavity to convert vibration energy into electrical energy;
A rectifying element formed on a lower surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the cantilever having the piezoelectric film; And
The piezoelectric energy harvester of the MEMS type comprising a; charging element for storing the electrical energy rectified by the rectifying element.
제1항에 있어서,
상기 반도체 기판의 두께는
400 ~ 700㎛인 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The thickness of the semiconductor substrate
MEMS type piezoelectric energy harvester, characterized in that 400 ~ 700㎛.
제1항에 있어서,
상기 반도체 기판은
상기 반도체 기판의 상면에 형성되는 버퍼층을 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The semiconductor substrate
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, comprising: a buffer layer formed on an upper surface of the semiconductor substrate.
제3항에 있어서,
상기 버퍼층은
실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx)을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 3,
The buffer layer
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, comprising a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiNx).
제3항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는
20 ~ 200nm인 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 3,
The thickness of the buffer layer
Piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that 20 ~ 200nm.
제1항에 있어서,
상기 압전막을 구비한 캔틸레버는
상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 캐비티 내로 연장되는 지지대와,
상기 지지대의 상부 면에 형성되는 하부 전극과,
상기 하부 전극의 상부에 형성되는 압전막과,
상기 압전막의 상부에 형성되는 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The cantilever provided with the piezoelectric film
One end is fixed to the semiconductor substrate, the support extending into the cavity,
A lower electrode formed on an upper surface of the support;
A piezoelectric film formed on the lower electrode;
The piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that it comprises an upper electrode formed on the piezoelectric film.
제6항에 있어서,
상기 상부 전극 및 하부 전극은
백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 6,
The upper electrode and the lower electrode
Platinum (Pt), Gold (Au), Silver (Ag), Aluminum (Al), Tantalum (Ta), Titanium (Ti), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Tantalum Nitride (TaN) and Titanium Nitride A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that it is formed of at least one selected from (TiN).
제6항에 있어서,
상기 압전막은
Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성되는 것을 특징으로 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 6,
The piezoelectric film is
Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Zn, Nb) O 3 , (Ba, Bi, Na) TiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 + Pb (Ni, Nb) O 3 , (Na, K) NbO 3 formed of (Li, Na, K) TaO 3, Pb (Zr, Ti) O 3 + PVDF polymer, Pb (Zr, Ti) O 3 + silicone polymer and Pb (Zr, Ti) O 3 + a selected one of an epoxy polymer Piezoelectric energy harvester of the MEMS type.
제6항에 있어서,
상기 압전막의 두께는
0.01 ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 6,
The thickness of the piezoelectric film is
Piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that 0.01 ~ 10㎛.
제6항에 있어서,
상기 캔틸레버는
상기 하부 전극과 압전막 사이에 개재되는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 6,
The cantilever is
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, further comprising an intermediate layer interposed between the lower electrode and the piezoelectric film.
제10항에 있어서,
상기 중간층은
티타늄(Ti)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 10,
The middle layer
Piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that formed of titanium (Ti).
제6항에 있어서,
상기 캔틸레버는
상기 지지대의 끝단에 형성되는 프루프 매스(proof mass)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 6,
The cantilever is
The piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that it further comprises a proof mass (proof mass) formed at the end of the support.
제12항에 있어서,
상기 프루프 매스는
실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 12,
The proof mass
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that formed from silicon.
제1항에 있어서,
상기 정류 소자는
P-N 접합 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The rectifier device
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, comprising a PN junction diode.
제14항에 있어서,
상기 P-N 접합 다이오드는
매트릭스 형태로 배열되며, 상기 매트릭스의 셀에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 14,
The PN junction diode
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that arranged in a matrix form and formed in each cell of the matrix.
제14항에 있어서,
상기 P-N 접합 다이오드는
브리지 회로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 14,
The PN junction diode
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, having a bridge circuit structure.
제1 캐비티 및 제2 캐비티를 구비한 반도체 기판;
상기 반도체 기판에 일단이 고정되며, 상기 일단으로부터 캐비티 내로 연장되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 압전막을 구비한 캔틸레버;
상기 반도체 기판의 제2 캐비티 내부에 삽입 배치되며, 상기 압전막을 구비한 캔틸레버와 전기적으로 연결되는 정류 소자; 및
상기 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
A semiconductor substrate having a first cavity and a second cavity;
A cantilever having one end fixed to the semiconductor substrate and having a piezoelectric film extending from the one end into the cavity to convert vibration energy into electrical energy;
A rectifying element inserted into the second cavity of the semiconductor substrate and electrically connected to the cantilever having the piezoelectric film; And
The piezoelectric energy harvester of the MEMS type comprising a; charging element for storing the electrical energy rectified by the rectifying element.
제17항에 있어서,
상기 정류 소자는
P-N 접합 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 17,
The rectifier device
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, comprising a PN junction diode.
제18항에 있어서,
상기 P-N 접합 다이오드는
매트릭스 형태로 배열되며, 상기 매트릭스의 셀에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 18,
The PN junction diode
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, characterized in that arranged in a matrix form and formed in each cell of the matrix.
제18항에 있어서,
상기 P-N 접합 다이오드는
브리지 회로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 18,
The PN junction diode
A piezoelectric energy harvester of the MEMS type, having a bridge circuit structure.
제17항에 있어서,
상기 제1 캐비티는
상기 반도체 기판의 상면에 형성되고, 상기 제2 캐비티는 상기 반도체 기판의 하면에 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 타입의 압전 에너지 하베스터.The method of claim 17,
The first cavity is
The piezoelectric energy harvester of the MEMS type, wherein the second cavity is formed on the bottom surface of the semiconductor substrate.
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