TWI443959B - 振動發電元件及具備它之振動發電裝置 - Google Patents

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Description

振動發電元件及具備它之振動發電裝置
本發明係關於將振動能轉換為電能之振動發電元件及具備其之振動發電裝置。
近年來，做為MEMS(Micro Electro Mechanical Systems；微機電系統)裝置之一種，以將起因於車輛振動或人的動作造成的振動等的周邊振動的振動能轉換為電能之方式而構成的振動發電元件，正在各地研究開發中。
這種振動發電元件已知有例如圖8A所示者，其具備：懸臂部(可撓部)82b，其係第1端側固定在由Si構成的基座基板81的支承部82a，第2端側係與基座基板81隔著空間而可搖動自如地被支承；及發電部83，其係形成在懸臂部82b上，以對應於懸臂部82b的振動而產生交流電力的方式而構成。(例如，參照Y.B.Jeon,et al,「MEMS powergenerator with transverse mode thin film PZT」,Sensors and Actuators A 122,16-22,2005)。(以下稱為「文獻1」)
圖8A所示之振動發電元件810中，懸臂部82b在構成上係具備薄膜86和擴散防止層87，該薄膜86係由SiO2 或Si3 N4 構成，該擴散防止層87(此處為ZrO2 )係形成在該薄膜86上，用以防止來自發電部83的電荷擴散。
又，擴散防止層87上的發電部83係由壓電層85和一對電極84a、84b所構成，該壓電層85係由PZT(Pb(Zr、Ti)O3 )構成，該一對電極84a、84b係由形成在壓電層85的一表面側之Pt/Ti構成。此外，壓電層85係利用變形方向和 電場方向呈正交之d33 模式之構造，在平面觀看，一對電極84a、84b係各自為梳形狀且配置成隔著預定的間隔互相地嚙合之構造(參照圖8B)。進一步，振動發電元件810係於懸臂部82b的第2端側之表面上設置有壓錘部82c，其係使懸臂部82b的搖動變大。
振動發電元件810係藉由振動使懸臂部82b搖動，而使發電部83的壓電層85朝向與壓電層85的厚度方向垂直之正交方向分極(參照圖8A中的箭號)，經發電之電力可從一對電極84a、84b輸出至外部。
然而，上述文獻1記載的振動發電元件810，係藉由懸臂部82b的搖動而使發電部83發電。因此，從振動發電元件810的一對電極84a、84b輸出之電力，其隨著懸臂部82b的搖動之極性會產生反轉的交流電力。
相對於此，振動發電元件810的一對電極84a、84b所連接之負載RL ，一般認為是需要小型電子零件或LSI(Large Scale Integration；大型積體電路)等的直流電力者。因此，上述文獻1中，使用上述振動發電元件810構成圖8C所示之振動發電裝置820，以使從振動發電元件810輸出的交流電力可轉換成直流電力。
振動發電裝置820係使振動發電元件810的輸出與屬於單相全波整流器(單相橋式整流電路)之整流器D1的輸出並聯地將電容器Cs連接，並使負載RL 連接在電容器Cs的兩端間。藉此，振動發電裝置820係可將振動發電元件810的輸出，從交流電力轉換成直流電力，並輸出至一對電極84a、84b所連接的負載RL 側。此外，圖8C的振動發電裝置820 係由交流電源Ip、並聯連接於交流電源Ip的電容器Cp、及並聯連接於電容器Cp的電阻Rp所構成的等效電路來顯示振動發電元件810。
然而，從上述振動發電元件810提取的產生電力，一般係小至μW程度。振動發電裝置820若使從振動發電元件810輸出的電流，通過屬於單相全波整流器之整流器D1而予以轉換，則在構成整流器D1的二極體的pn接合部之電壓下降所造成的損失會有較大之影響。特別是圖8C所示之振動發電裝置820係於將振動發電元件810的輸出從交流電力轉換成直流電力時，形成通過屬於單相全波整流器之整流器D1的2個二極體而輸出來自振動發電元件810之電流。因此，使用上述振動發電元件810的振動發電裝置820會有發電效率變低之問題。
振動發電元件810被要求有更小型且高輸出者，而難以在構成上只是單純地將振動發電元件810的壓電層85的面積擴大來使輸出提高。因而，只有上述振動發電元件810或振動發電裝置820之構造並不充分，被要求進一步改良。
本發明係鑑於上述事由而研發者，其目的在於提供輸出電力更高且可小型化之振動發電元件及具備它之振動發電裝置。
本發明之振動發電元件具備基座基板及發電部。基座基板具備支承部、及可搖動自如地被該支承部所支承著的懸臂部。發電部係構成為形成在上述懸臂部且對應上述懸臂部的振動而產生交流電力。上述發電部具備下部電極、 第1壓電層、中間電極、第2壓電層及上部電極。下部電極係形成在上述基座基板的一表面側且與上述懸臂部重疊。第1壓電層係自上述懸臂部觀看形成在該下部電極的相反側。中間電極係自上述下部電極觀看形成在該第1壓電層的相反側。第2壓電層係自上述第1壓電層觀看形成在該中間電極的相反側。上部電極係自前述中間電極觀看形成在該第2壓電層的相反側。
一實施形態中，各個上述第1壓電層及上述第2壓電層為強介電質薄膜。
一實施形態中，上述第1壓電層中的分極方向和上述第2壓電層中的分極方向，在上述發電部的厚度方向中為同一方向。
一實施形態中，該懸臂部具有第1端及第2端，在該第1端側藉由該支承部將該第2端側可搖動自如地支承著。該發電部係配置在該基座基板中的該懸臂部之至少第1端側。
一實施形態中，該基座基板具備：具有第1邊及第2邊較其他兩邊短的4個邊且包含該支承部做為該第1邊之框架部；及形成在該框架部和該懸臂部之間的開口。
一實施形態中，該支承部係於該基座基板的前述表面側支承該懸臂部，使該懸臂部的一表面和該框架部的一表面為同一面，並且形成該基座基板的前述表面。該開口為U形縫隙。
一實施形態中，該第1壓電層及第2壓電層係各自直接接合在該中間電極的兩面。
一實施形態中，該中間電極係僅由一個或複數個導電 層所構成。
本發明之振動發電裝置具備上述振動發電元件和二相全波整流器。
二相全波整流器係具備：第1輸入端子及第2輸入端子，係分別電性連接於該上部電極及下部電極；及共通端子，係電性連接於做為共通電極之上述中間電極；且上述二相全波整流器係構成為：將上述上部電極及上述下部電極所輸出之二相交流轉換成直流。
本發明具有更高的輸出電力並能小型化之效果。
以下，使用圖1A及圖1B來說明關於本實施形態的振動發電元件，使用圖2來說明關於使用振動發電元件10的振動發電裝置20。
如圖1所示，本實施形態之振動發電元件10包括基座基板1及發電部3。基座基板1包括支承部2a、及配置在支承部2a的內側且可搖動自如地被支承部2a所支承著的可撓性之懸臂部2b。發電部3係構成為形成在基座基板1的一表面(第1表面)1b側中的懸臂部2b且對應懸臂部2b的振動而產生交流電力。
特別是，本實施形態之振動發電元件10中，發電部3具有下部電極4a、第1壓電層5a、中間電極4b、第2壓電層5b及上部電極4c。下部電極4a係形成在基座基板1的第1表面1b側且與懸臂部2b重疊。第1壓電層5a係自懸臂部2b觀看形成在該下部電極4a的相反側。中間電極4b係自下部電極4a觀看形成在該第1壓電層5a的相反側。第2壓電層5b係自第1 壓電層5a觀看形成在中間電極4b的相反側。上部電極4c係自中間電極4b觀看形成在該第2壓電層5b的相反側。
圖1A及圖1B之例中，懸臂部2b具有第1端2b1 及第2端2b2 ，在第1端2b1 側藉由支承部2a而將第2端2b2 側可搖動自如地支承著。發電部3係配置在基座基板1中的懸臂部2b之至少第1端2b1 側。圖示例中，發電部3係配置在基座基板1中的懸臂部2b的第1端2b1 側，但本發明之發電部不受其限定。例如，本發明之發電部亦可配置在基座基板1中的懸臂部2b之全部表面(第1表面)和支承部2a之全部表面(第1表面)或懸臂部2b側的一部分。於此情形，為了讓懸臂部2b的第2端2b2 側容易彎曲，較佳為使懸臂部2b的長度方向中的後述壓錘部2c的尺寸較圖1B短且設置在懸臂部2b的第2端2b2 。又，支承部2a例如包含在矩形狀的框架部2d。亦即，基座基板1除了懸臂部2b之外，還包括框架部2d及開口。框架部2d具有4個邊，其中第1邊2d1 及第2邊2d2 較其他兩邊短，且包括支承部2a當作第1邊2d1 ，其中，第1邊及第2邊為相對向邊。而且，該開口係形成在框架部2d和懸臂部2b之間。詳細而言，該開口為U(或C)形狀之縫隙1d，支承部2a係於基座基板1的第1表面1b側支承著懸臂部2b，使懸臂部2b的一表面(第1表面)和框架部2d的一表面(第1表面)形成同一面並且形成基座基板1的第1表面1b。
又，在支承部2a，其第1表面(基座基板1的第1表面1b)具備下部電極用墊(pad)7a、中間電極用墊7b、及上部電極用墊7c，此等墊係分別透過連接配線6a、6b、6c而電性連接至下部電極4a、中間電極4b及上部電極4c。又，於平面 觀看，基座基板1係隔著懸臂部2b而在與支承部2a相對向之側(懸臂部2b的第2端2b2 側)具備壓錘部2c。壓錘部2c係隔著縫隙(貫通孔)1d而被圍繞配置在從支承部2a延伸的框架部2d之U字狀部分的內側。
發電部3被設計成下部電極4a、第1壓電層5a、中間電極4b、第2壓電層5b及上部電極4c之各平面大小為分別依序變小。再者，發電部3位於基座基板1的第1表面1b側，且配置成與設置在基座基板1的第2表面1a側之凹陷部1c相對向。此處，在平面觀看，發電部3中第1壓電層5a位於下部電極4a的外周緣之內側，且第1壓電層5a與下部電極4a相接。與該第1壓電層5a相接的中間電極4b係位於該第1壓電層5a的外周緣之內側。又，第2壓電層5b位於中間電極4b的外周緣之內側，且第2壓電層5b與中間電極4b相接。亦即，第1壓電層及第2壓電層係各自直接接合中間電極4b的兩面。與該第2壓電層5b相接的上部電極4c係位於該第2壓電層5b的外周緣之內側。
又，發電部3係以第1絶緣層8a覆蓋下部電極4a及第1壓電層5a各自的周圍部之方式形成，該第1絶緣層8a係用以防止連接配線6b與下部電極4a之短路，該連接配線6b係與中間電極4b電性連接。於平面觀看，第1絶緣層8a係於基座基板1的第1表面1b側規定第1壓電層5a和中間電極4b之相接區域。亦即，第1絶緣層8a之平面觀看形狀為沿著中間電極4b的周圍部形成的框狀。此外，第1絶緣層8a亦防止與上部電極4c電性連接著的連接配線6c和下部電極4a之短路。
同様地，用以防止電性連接於上部電極4c的連接配線 6c和中間電極4b之短路的第2絶緣層8b，係以覆蓋中間電極4b及第2壓電層5b各自的周圍部之方式形成在第1絶緣層8a上。於平面觀看，第2絶緣層8b係於基座基板1的第1表面1b側，規定第2壓電層5b和上部電極4c之相接區域。亦即，第2絶緣層8b之平面觀看形狀成為沿著上部電極4c的周圍部的框狀。
本實施形態係振動發電元件10中的第1絶緣層8a及第2絶緣層8b分別由矽氧化膜構成，但不限定於矽氧化膜。例如，各絶緣層也可以是矽氮化膜，而且單層膜或多層膜皆可。如此地，若藉由矽氧化膜或矽氮化膜來形成搖動的懸臂部2b之上側上所形成的各個第1絶緣層8a及第2絶緣層8b，則相較於分別藉由抗蝕膜來形成第1絶緣層8a及第2絶緣層8b之情形，能提升絶緣性及耐熱性。
又，基座基板1係第1表面1b側及第2表面1a側分別形成有由矽氧化膜構成的絶緣膜12e、12a，發電部3和基座基板1係藉由第1表面1b側的絶緣膜12e而被電性絶緣。
本實施形態之振動發電元件10中的發電部3包括第1壓電轉換部3a及第2壓電轉換部3b。第1壓電轉換部3a係由下部電極4a、第1壓電層5a和中間電極4b所構成。第2壓電轉換部3b係由中間電極4b、第2壓電層5b和上部電極4c所構成。因此，由於懸臂部2b的振動，發電部3的第1壓電轉換部3a及第2壓電轉換部3b分別接受應力而各別地發電。亦即，第1壓電轉換部3a於下部電極4a和中間電極4b之間的第1壓電層5a產生電荷偏移且產生交流電力。同様地，第2壓電轉換部3b於中間電極4b和上部電極4c之間的第2壓電層5b產 生電荷偏移且產生交流電力。
本實施形態中的振動發電元件10係使用利用變形方向和電場方向呈平行的d31 模式之PZT(Pb(Zr、Ti)O3 )當作第1壓電層5a及第2壓電層5b的壓電材料。又，振動發電元件10的第1壓電層5a及第2壓電層5b之壓電材料並不限於PZT，例如亦可使用PZT-PMN(：Pb(Mn、Nb)O3 )、PLZT((Pb、La)(Zr、Ti)O3 )或SBT(SrBi2 Ta2 O9 )等。又，第1壓電層5a和第2壓電層5b不一定要用相同的材料來形成。亦即，可適當地選擇第1壓電層5a及第2壓電層5b的面積、厚度或材料，以使從第1壓電轉換部3a的輸出和從第2壓電轉換部3b的輸出成為同等。
又，本實施形態之振動發電元件10係使用SOI(Silicon on Insulator；絕緣層上覆矽)基板來形成基座基板1，該SOI基板係單結晶矽基板12b和單結晶的矽層(活性層)12d(以下亦簡稱為「矽層12d」)之間夾著由矽氧化膜構成的埋入氧化膜12c之構造。此外，做為基座基板1的SOI基板係使用矽層12d的表面為(100)面者。
又，本實施形態之振動發電元件10係使用SOI基板做為基座基板1，因此在後述製造時，可利用SOI基板的埋入氧化膜12c，做為懸臂部2b形成時的蝕刻阻絕層。藉此，振動發電元件10可達成懸臂部2b的厚度之高精確度化，並且可達成可靠性之提升及低成本化。此外，基座基板1不限於SOI基板，例如亦可使用單結晶之矽基板等。
又，較佳為僅由一個或複數個導電層構成各個下部電極4a、中間電極4b及上部電極4c。本實施形態之振動發電 元件10係藉由Pt膜來構成下部電極4a。又，中間電極4b係藉由Ti膜和Au膜的積層膜來構成。再者，上部電極4c係藉由Ti膜和Pt膜的積層膜來構成。振動發電元件10的下部電極4a、中間電極4b及上部電極4c係並不特別限定此等材料或層構造者，下部電極4a、中間電極4b及上部電極4c分別可為單層構造或多層構造。做為下部電極4a或上部電極4c的電極材料，例如亦可採用Au、Al或Ir等，做為中間電極4b的材料，例如亦可採用Mo、Al、Pt或In等。
此外，本實施形態的振動發電元件10中，將下部電極4a的厚度設定為100nm，將第1壓電層5a的厚度設定為600nm。又，將隨著面積或懸臂部2b的振動所產生的應力較平面觀看中的第1壓電層5a還小的第2壓電層5b之厚度，設定成比第1壓電層5a還厚，以使第2壓電層5b與第1壓電層5a發電之輸出成為同等。本實施形態之振動發電元件10係設定中間電極4b的厚度為100nm，設定上部電極4c的厚度為100nm。此外，振動發電元件10的下部電極4a、中間電極4b、上部電極4c、第1壓電層5a或第2壓電層5b之厚度並非僅限定於上述厚度，只要適當地設定即可。
此處，本實施形態的振動發電元件10中，懸臂部2b的平面觀看形狀為長方形狀，但不限於此，例如，從支承部2a離開、愈接近壓錘部2c則寬度尺寸逐漸地變小之梯形狀亦可。
本實施形態的振動發電元件10中，在平面觀看，第1壓電層5a係位於下部電極4a的外周緣之內側，中間電極4b係位於第1壓電層5a的外周緣之內側，因此相較於下部電極4a 、第1壓電層5a及中間電極4b為相同平面尺寸的情形，可減少當作連接配線6b的基底的部分之階差。同様地，於平面觀看，第2壓電層5b係位於中間電極4b的外周緣之內側，上部電極4c係位於第2壓電層5b的外周緣之內側，因此相較於中間電極4b、第2壓電層5b和上部電極4c為相同平面尺寸的情形，可減少當作連接配線6c的基底的部分之階差。
振動發電元件10中，為了使從第1壓電層5a、第2壓電層5b分別輸出的電力大致相等，因而有使平面觀看的面積較第1壓電層5a還小的第2壓電層5b形成比第1壓電層5a還厚的情形。於此情形，藉由使形成在第1壓電層5a的連接配線6b或形成在第2壓電層5b的連接配線6b之當作基底的部分之階差減少，而能成為可靠性更高的振動發電元件10。
又，振動發電元件10亦可使其用以分別防止下部電極4a、中間電極4b及上部電極4c之短路的第1絶緣層8a，在基座基板1的第1表面1b側延伸設置至支承部2a上。亦即，可將中間電極4b和電性連接該中間電極4b的中間電極用墊7b之間的連接配線6b之所有的部位，形成在第1絶緣層8a上，且亦可將中間電極用墊7b形成在第1絶緣層8a的平坦部位上(未圖示)。藉此，振動發電元件10能減少當作連接配線6b的基底的部分之階差，並且能一面增加第1壓電層5a的膜厚，一面更減少電性連接下部電極4a和中間電極用墊7b之連接配線6a的斷線的可能性。
同様地，可將上部電極4c和電性連接該上部電極4c的上部電極用墊7c之間的連接配線6c之所有的部位，形成在第2絶緣層8b上，亦可將上部電極用墊7c形成在第2絶緣層 8b的平坦部位上(未圖示)。藉此，振動發電元件10能減少當作連接配線6c的基底的部分之階差，並且能一面增加第2壓電層5b的膜厚，一面更減少電性連接中間電極4b和上部電極用墊7c之連接配線6c的斷線的可能性。
本實施形態之振動發電元件10能使用下部電極4a及中間電極4b以輸出藉由第1壓電轉換部3a來發電之電力。同様地，本實施形態之振動發電元件10能使用中間電極4b及上部電極4c以輸出藉由第2壓電轉換部3b來發電之電力。
此處，本實施形態之振動發電元件10具備二相全波整流器D2(以下亦簡稱為「整流器D2」)，此等一起構成振動發電裝置20。整流器D2包括：第1輸入端子T1及第2輸入端子T2，係分別電性連接上部電極4c及下部電極4a；及共通端子T0，係電性連接做為共通電極之中間電極4b；且整流器D2係構成為：將下部電極4a及上部電極4c所輸出之二相交流轉換成直流。更具體而言，如圖2所示，中間電極用墊7b與振動發電元件10的中間電極4b電性連接，且與共通端子T0電性連接。下部電極用墊7a與下部電極4a電性連接，且與第2輸入端子T2電性連接。上部電極用墊7c與上部電極4c電性連接，且與第1輸入端子T1電性連接。藉此，使振動發電元件10連接於整流器D2。又，整流器D2包括：第1輸出端子T4及第2輸出端子T5；連接於第1輸入端子T1和第1輸出端子T4之間的第1二極體D21 ；及連接於第2輸入端子T2和第1輸出端子T4之間的第2二極體D22 。第2輸出端子T5與共通端子T0電性連接。圖2之例中，第1二極體D21 的陽極及陰極分別連接第1輸入端子T1及第1輸出端子T4，第2二極體 D22 的陽極及陰極分別連接第2輸入端子T2及第1輸出端子T4。又，電容器Cs連接於整流器D2的兩輸出端子間。振動發電裝置20之構成，係對應連接於振動發電裝置20之負載(未圖示)，在電容器Cs和負載之間設置DC/DC(直流/直流)轉換部21以使供給至負載側的電壓適當地升壓或降壓。
包括本實施形態的振動發電元件10之振動發電裝置20，係與上述圖8C所示之振動發電裝置820不同，其係於將振動發電元件10的輸出從交流電力轉換成直流電力時，通過整流器D2中的1個二極體而從振動發電元件10輸出電流。因此，包括本實施形態的振動發電元件10之振動發電裝置20，相較於圖8C所示之振動發電裝置820，能減少在整流器中的二極體之損失，因而能提高發電效率。又，中間電極4b係僅由一個或複數個導電層構成，第1壓電層及第2壓電層分別直接接合於中間電極的兩面，因此第1壓電層及第2壓電層間為最小距離，而能使振動發電元件10為最小的厚度尺寸。
以下，針對本實施形態之振動發電元件10之製造方法，一面參照圖3A~圖3C至圖7A~圖7B一面說明。各圖之製造步驟中，將俯視圖圖示於上側，將主要部分之大致剖視圖圖示於下側。
首先，在由做為基座基板1的上述SOI基板所構成之元件形成基板11的一表面(第1表面)側及另一表面(第2表面)側的各側上，進行藉由熱氧化法等形成由矽氧化膜所構成的絶緣膜12e、12a之絶緣膜形成步驟(參照圖3A)。藉此，使用元件形成基板11所形成的基座基板1係於第1表 面1b側具備絶緣膜12e，於第2表面1a具備絶緣膜12a。又，由SOI基板所構成的元件形成基板11之構造，係於單結晶矽基板12b和單結晶的矽層12d之間夾著由矽氧化膜構成的埋入氧化膜12c。
然後，在元件形成基板11的第1表面側之全面進行第1金屬膜形成步驟，其係例如藉由濺鍍法或CVD(Chemical Vapor Deposition；化學氣相沉積)法等，形成由做為下部電極4a、連接配線6a及下部電極用墊7a的基礎之Pt層所構成之第1金屬膜24a。接著，在元件形成基板11的第1表面側之全面進行壓電膜形成步驟，其係例如藉由濺鍍法、CVD法、溶膠凝膠法或後述的轉印法等，形成做為由壓電材料(例如，PZT等)構成的第1壓電層5a之基礎的第1壓電膜(例如，PZT膜等)25a(參照圖3B)。
此外，本實施形態的振動發電元件10中，在下部電極4a上形成有第1壓電層5a，但亦可使當作第1壓電層5a的成膜時的基底之種層(seed layer)介於第1壓電層5a和下部電極4a之間，藉以使第1壓電層5a的結晶性提升。做為種層的材料，例如可舉出屬於導電性氧化物材料之一種的PLT((Pb、La)TiO3 )、PTO(PbTiO3 )或SRO(SrRuO3 )等。
又，第1金屬膜24a不限於Pt膜，例如Al膜或Al-Si膜亦可，Au膜和具備Ti膜以做為介於該Au膜和絶緣膜12e之間改善密合性用的密合膜之構成亦可。此處，無圖示之密合膜的材料不限於Ti，例如亦可使用Cr、Nb、Zr、TiN或TaN等。
接著，進行壓電膜圖案形成步驟，其係於壓電膜形成 步驟後，利用光微影技術及蝕刻技術將第1壓電膜25a進行預定形狀之圖案形成，以形成由第1壓電膜25a的一部分構成的第1壓電層5a(參照圖3C)。
然後，藉由利用光微影技術及蝕刻技術將第1金屬膜24a進行預定形狀之圖案形成，以進行金屬膜圖案形成步驟，其係分別形成由第1金屬膜24a的一部分所構成的下部電極4a、連接配線6a及下部電極用墊7a(參照圖4A)。此外，本實施形態的振動發電元件10之製造方法，係藉由金屬膜圖案形成步驟將第1金屬膜24a形成圖案，而與下部電極4a一併地同時形成連接配線6a及下部電極用墊7a。此處，下部電極4a、連接配線6a及下部電極用墊7a係於金屬膜圖案形成步驟，藉由將第1金屬膜24a形成圖案，不僅是全部同時形成，亦可僅形成下部電極4a。於此情形，在下部電極4a形成後，亦可設置另外形成連接配線6a及下部電極用墊7a之配線形成步驟。同様地，亦可分別設置形成連接配線6a之連接配線形成步驟，和形成下部電極用墊7a之下部電極用墊形成步驟。此外，於第1金屬膜24a之蝕刻中，可適當地採用例如RIE(Reactive Ion Etching；反應性離子蝕刻)法或離子銑削法等。
進行第1絶緣層形成步驟，其係於藉由金屬膜圖案形成步驟，形成下部電極4a、連接配線6a及下部電極用墊7a之後，在元件形成基板11的上述第1表面側形成第1絶緣層8a(參照圖4B)。第1絶緣層形成步驟中，在形成有第1壓電層5a的元件形成基板11的上述第1表面側塗布抗蝕膜之後，藉由光微影技術將該抗蝕膜進行圖案形成。接著，藉由CVD 法等，將絶緣膜成膜在元件形成基板11的上述第1表面側之全面之後，利用剝離抗蝕膜之剝離(lift-off)法而形成有第1絶緣層8a。第1絶緣層形成步驟中，為了使第1絶緣層8a形成，不限於只使用剝離法，利用光微影技術及蝕刻技術形成圖案亦可。
接著，形成中間電極4b的中間電極形成步驟，係於經進行第1絶緣層8a之形成的元件形成基板11的上述第1表面側塗布抗蝕膜之後，藉由光微影技術而將該抗蝕膜形成圖案。接著，進行中間電極形成步驟，其係蒸鍍金屬膜，且藉由進行剝離以剝離抗蝕膜，使連接配線6b及中間電極用墊7b可與中間電極4b一併地形成(參照圖4C)。此外，中間電極4b亦可藉由利用EB(Electron Beam；電子束)蒸鍍法、濺鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、光微影技術、蝕刻技術而形成之中間電極形成步驟，而與連接配線6b及中間電極用墊7b同時形成。又，本實施形態之振動發電元件10之製造方法係於中間電極形成步驟中，與中間電極4b一併地形成連接配線6b及中間電極用墊7b，但不限於此，中間電極形成步驟和配線形成步驟亦可分別進行。又，配線形成步驟亦可分別進行形成連接配線6b之連接配線形成步驟，與形成中間電極用墊7b之中間電極用墊形成步驟。
如上述方式形成中間電極4b、連接配線6b、中間電極用墊7b之後，在元件形成基板11的中間電極4b上進行第2壓電層形成步驟，其係使由壓電材料(例如，PZT等)構成的第2壓電層5b形成(參照圖5A)。第2壓電層5b例如可利用濺鍍法、CVD法、溶膠凝膠法或轉印法等使壓電膜形成之 後，再利用光微影技術、蝕刻技術來形成。
此處，為了以轉印法來形成第2壓電層5b，而預先利用濺鍍法、CVD法或溶膠凝膠法等，使由強介電質薄膜構成的第2壓電膜成膜在無圖示之第2壓電膜形成用基板的一表面上。接著，於使第2壓電膜形成用基板的第2壓電膜和形成在元件形成基板11的中間電極4b相對向配置之狀態下，從透光性的第2壓電膜形成用基板的另一表面側照射雷射光。雷射光係以在第2壓電膜形成用基板和第2壓電膜之界面進行吸收的方式照射。藉此從第2壓電膜形成用基板剝離一部分的第2壓電膜。又，經剝離之第2壓電膜被轉印至元件形成基板11的中間電極4b側而成為第2壓電層5b。藉由控制雷射光之照射區域，能使第2壓電膜於平面觀看時，係以比中間電極4b外形小的形狀轉印在中間電極4b上。
此外，第2壓電膜形成用基板較佳為使用相較於基座基板1，與當作第2壓電層5b的基礎之第2壓電膜的晶格常數差小，且晶格整合性佳的基板。例如，於使用PZT做為第2壓電膜的材料之情形，做為第2壓電膜形成用基板，可使用單結晶MgO基板或單結晶STO(SrTiO3 )基板等。又，從第2壓電膜形成用基板轉印一部分的第2壓電膜的雷射光，例如可從KrF準分子雷射照射。又，可在第2壓電膜形成用基板和第2壓電膜之間，配設用以控制第2壓電膜的結晶配向之PLT、PTO或SRO等的種層。在剝離第2壓電膜的一部分時，於第2壓電膜轉印時可利用種層來做為吸收並除去雷射光之犠牲層。隨著第2壓電膜之轉印，第2壓電膜形成用基板之不要的碎片附著在元件形成基板11側時，亦可藉由蝕刻 劑適當地除去。
藉由利用轉印這種另外形成的壓電膜來形成壓電層的轉印法，能縮短振動發電元件10的製造時間。亦即，相較於將第1壓電層5a和第2壓電層5b依序地成膜而製造振動發電元件10的方法，能使壓電膜的形成時耗費時間之壓電膜形成步驟，藉由第1壓電層5a和第2壓電層5b分開且並行地進行。
使用上述轉印法的第2壓電層形成步驟後，進行第2絶緣層形成步驟，其係在元件形成基板11的上述第1表面側形成第2壓電層5b的一部分露出之第2絶緣層8b(參照圖5B)。第2絶緣層形成步驟中，在形成有第2壓電層5b的元件形成基板11的上述第1表面側塗布抗蝕膜之後，藉由光微影技術將該抗蝕膜形成圖案。接著，藉由CVD法等，將絶緣膜成膜於元件形成基板11的上述第1表面側之全面後，藉由利用剝離抗蝕膜的剝離法而形成有第2絶緣層8b。第2絶緣層形成步驟中，為了形成第2絶緣層8b，不限於僅利用剝離法，利用光微影技術及蝕刻技術能形成圖案即可。
接著，上部電極4c係於形成有被覆第2壓電層5b的第2絶緣層8b之元件形成基板11的上述第1表面側塗布抗蝕膜之後，藉由光微影技術將抗蝕膜形成圖案。接著，蒸鍍金屬膜，藉由剝離抗蝕膜，而與上部電極4c一併地形成連接配線6c及上部電極用墊7c(參照圖5C)。此外，上部電極4c亦可藉由利用EB蒸鍍法、濺鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、光微影技術、蝕刻技術而形成之上部電極形成步驟，而與連接配線6c及中間電極用墊7c同時形成。
本實施形態之振動發電元件10之製造方法中，雖然於上部電極形成步驟，與上部電極4c一併地形成有連接配線6c及上部電極用墊7c，但不限於此，上部電極形成步驟和配線形成步驟亦可分別進行。又，關於配線形成步驟，亦可分別進行形成連接配線6c之連接配線形成步驟和形成上部電極用墊7c之上部電極用墊形成步驟。
接著，利用光微影技術及蝕刻技術等，將元件形成基板11加工，藉以進行元件形成基板加工步驟，其係形成具備支承部2a及懸臂部2b的基座基板1。利用光微影技術及蝕刻技術等，藉由BHF(Buffered Hydrogen Fluoride；緩衝氫氟酸)等，從元件形成基板11的上述一表面側蝕刻做為支承部2a、懸臂部2b及壓錘部2c的部位以外之絶緣膜12e。藉此，進行使元件形成基板11的矽層12d露出之表面絶緣膜除去步驟(參照圖6A)。
接著，利用RIE法，藉由蝕刻來除去經除去元件形成基板11的上述第1表面側的絶緣膜12e之部位的矽層12d。藉此，進行表面溝形成步驟以使埋入氧化膜12c露出而形成做為縫隙1d的一部分之表面溝(參照圖6B)。
接著，利用光微影技術及蝕刻技術等，且利用BHF等，從元件形成基板11的上述第2表面側，對做為支承部2a、懸臂部2b及壓錘部2c的部位以外之絶緣膜12a進行蝕刻。藉此，除去絶緣膜12a的一部分以使單結晶矽基板12b露出(參照圖6C)。
除去絶緣膜12a的一部分之後，藉由Deep-RIE(深反應性離子蝕刻)法，將已從元件形成基板11的上述第2表面側除去 絶緣膜12a的部位，對元件形成基板11進行蝕刻至到達埋入氧化膜12c之預定深度。藉此，進行背面溝形成步驟，其係使元件形成基板11的第2表面側的埋入氧化膜12c露出，形成做為縫隙1d的一部分之背面溝(參照圖7A)。背面溝形成步驟係於形成背面溝而同時在元件形成基板11的第2表面側形成凹陷部1c。
接著，進行氧化膜蝕刻步驟，其係藉由RIE法之蝕刻來除去埋入氧化膜12c之不要的部分，以形成使表面溝和背面溝連通的縫隙1d(參照圖7B)。藉此，可與懸臂部2b一併地製造形成有壓錘部2c之振動發電元件10。本實施形態的振動發電元件10之構造係藉由形成縫隙1d，在隔著懸臂部2b而與支承部2a對向之側具備壓錘部2c，壓錘部2c係隔著縫隙1d而被圍繞配置在從支承部2a延伸的U(或C)字狀之框架部2d的內側。
本實施形態的振動發電元件10係在隔著懸臂部2b而與支承部2a對向之側具備壓錘部2c，因此與不具有壓錘部2c的情形相比，可使發電量變大。此外，振動發電元件10具備可搖動自如地被支承部2a支承的懸臂部2b即可，不是必須形成壓錘部2c或框架部2d。因而，振動發電元件10只要具備懸臂部2b，即可省略形成縫隙1d的氧化膜蝕刻步驟。又，振動發電元件10係以晶圓等級來進行至元件形成基板加工步驟結束為止，然後進行分割成各個振動發電元件10之切割步驟，藉此能以良好的量產性來形成複數個振動發電元件10。
此外，圖1所示之振動發電元件10，基本上係由基座基 板1和發電部3所構成，但亦可設置無圖示之第1覆蓋基板和無圖示之第2覆蓋基板，該無圖示之第1覆蓋基板係於基座基板1的第1表面1b側固著有支承部2a或框架部2d，該無圖示之第2覆蓋基板係於基座基板1的第2表面1a側固著有支承部2a或框架部2d。
例如，第1覆蓋基板可在基座基板1側的第1表面1b使用具備凹所的玻璃基板或矽基板，該凹所係用以在與基座基板1之間形成讓懸臂部2b及壓錘部2c搖動之變位空間。
此外，第1覆蓋基板可適當地具備連絡用電極，該連絡用電極係分別接合基座基板1的下部電極用墊7a、中間電極用墊7b及上部電極用墊7c且可輸出至外部。
又，第2覆蓋基板可在基座基板1側的第2表面1a使用具備凹所的玻璃基板或矽基板，該凹所係用以在與基座基板1之間形成讓懸臂部2b及壓錘部2c搖動之變位空間。此處，基座基板1和第1覆蓋基板及第2覆蓋基板可藉由例如常溫接合法、使用環氧樹脂等的樹脂接合法或陽極接合法等予以接合而形成。
此外，為了製造具備第1覆蓋基板及第2覆蓋基板的振動發電元件10，可在形成基座基板1之後，進行接合各覆蓋基板之覆蓋接合步驟，且可以晶圓等級來進行至覆蓋接合步驟結束為止，然後藉由進行切割步驟而分割成各個振動發電元件10。
以上說明之本實施形態的振動發電元件10係藉由在下部電極4a和中間電極4b之間施加高電場，而可進行使用強介電質薄膜的第1壓電層5a之分極處理。又，本實施形態的 振動發電元件10係即使在使用強介電質薄膜的第1壓電層5a內的分極方向產生偏離時，仍可藉由分極處理而將第1壓電層5a內的分極方向聚集。同様地，本實施形態的振動發電元件10係即使在第1壓電層5a的分極方向和懸臂部2b的搖動方向之間產生偏離，仍可藉由分極處理而將第1壓電層5a的分極方向聚集在搖動方向。因此，本實施形態的振動發電元件10係藉由在第1壓電層5a內的分極方向、第1壓電層5a的分極方向及懸臂部2b的搖動方向之間產生偏離，而能抑制發電效率降低。
同様地，本實施形態的振動發電元件10係藉由在中間電極4b和上部電極4c之間施加高電場，而可進行使用強介電質薄膜的第2壓電層5b之分極處理。又，本實施形態的振動發電元件10係即使在使用強介電質薄膜的第2壓電層5b內的分極方向產生偏離時，仍可藉由分極處理而將第2壓電層5b內的分極方向聚集。同様地，本實施形態的振動發電元件10係即使在第2壓電層5b的分極方向和懸臂部2b的搖動方向之間產生偏離，仍可藉由分極處理而將第2壓電層5b的分極方向聚集在搖動方向。因此，本實施形態的振動發電元件10係藉由在第2壓電層5b的分極方向和懸臂部2b的搖動方向之間產生偏離，而能抑制發電效率降低。
再者，本實施形態的振動發電元件10相對於使用強介電質薄膜的第1壓電層5a及使用強介電質薄膜的第2壓電層5b，可分別進行在下部電極4a和中間電極4b之間、在中間電極4b和上部電極4c之間施加高電場之分極處理。藉此，第1壓電層5a的分極方向和第2壓電層5b的分極方向，可在 發電部3的厚度方向聚集於同一方向。具備本實施形態之振動發電元件10的振動發電裝置20，係藉由聚集振動發電元件10的第1壓電層5a及第2壓電層5b的分極方向，而在懸臂部2b搖動時，能將從振動發電元件10輸出的交流電力轉換成直流電力。
如此地形成之本實施形態之振動發電元件10，係將中間電極4b夾持於第1壓電層5a和第2壓電層5b之間，因此，懸臂部2b搖動時，能緩和施加在第1壓電層5a及第2壓電層5b之應力。因此，本實施形態之振動發電元件10能使第1壓電層5a或第2壓電層5b隨著懸臂部2b的搖動而產生龜裂等受到抑制，同時能增加發電部3的壓電層亦即第1壓電層5a及第2壓電層5b之總膜厚，使輸出電力更大。亦即，本實施形態之振動發電元件10能使輸出電力更高並小型化。
已針對本發明之數種較佳實施形態予以記述，但只要不超出本發明本來的精神及範圍，亦即申請專利範圍，則可由所屬技術領域具有通常知識者做各種修正及變形。
1‧‧‧基座基板
1a‧‧‧基座基板1的第2表面
1b‧‧‧基座基板1的第1表面
1c‧‧‧凹陷部
1d‧‧‧縫隙(貫通孔)
2a、82a‧‧‧支承部
2b、82b‧‧‧懸臂部(可撓部)
2b1 ‧‧‧第1端
2b2 ‧‧‧第2端
2c、82c‧‧‧壓錘部
2d‧‧‧框架部
2d1 ‧‧‧第1邊
2d2 ‧‧‧第2邊
3、83‧‧‧發電部
3a‧‧‧第1壓電轉換部
3b‧‧‧第2壓電轉換部
4a‧‧‧下部電極
4b‧‧‧中間電極
4c‧‧‧上部電極
5a‧‧‧第1壓電層
5b‧‧‧第2壓電層
6a、6b、6c‧‧‧連接配線
7a‧‧‧下部電極用墊
7b‧‧‧中間電極用墊
7c‧‧‧上部電極用墊
8a‧‧‧第1絶緣層
8b‧‧‧第2絶緣層
10、810‧‧‧振動發電元件
11‧‧‧元件形成基板
12a、12e‧‧‧絶緣膜
12b‧‧‧單結晶矽基板
12c‧‧‧埋入氧化膜
12d‧‧‧矽層(活性層)
20、820‧‧‧振動發電裝置
21‧‧‧DC/DC轉換部
24a‧‧‧第1金屬膜
25a‧‧‧第1壓電膜
81‧‧‧基座基板
83‧‧‧發電部
84a、84b‧‧‧電極
85‧‧‧壓電層
86‧‧‧薄膜
87‧‧‧擴散防止層
Cs、Cp‧‧‧電容器
D1‧‧‧整流器
D2‧‧‧二相全波整流器
D21 ‧‧‧第1二極體
D22 ‧‧‧第2二極體
Ip‧‧‧交流電源
T0‧‧‧共通端子
T1‧‧‧第1輸入端子
T2‧‧‧第2輸入端子
T4‧‧‧第1輸出端子
T5‧‧‧第2輸出端子
RL ‧‧‧負載
進一步詳細地敘述本發明之較佳實施形態。本發明之其他特徵及優點係能根據以下之詳細敘述及附圖而進一步深入理解者。
圖1A及圖1B係顯示實施形態之振動發電元件，圖1A是為概略俯視圖，圖1B為圖1A的X-X概略剖視圖。
圖2係使用同上之振動發電元件的振動發電裝置之電路圖。
圖3A至圖3C係說明製造同上之振動發電元件的方法之 主要步驟圖。
圖4A至圖4C係說明製造同上之振動發電元件的方法之主要步驟圖。
圖5A至圖5C係說明製造同上之振動發電元件的方法之主要步驟圖。
圖6A至圖6C係說明製造同上之振動發電元件的方法之主要步驟圖。
圖7A及圖7B係說明製造同上之振動發電元件的方法之主要步驟圖。
圖8A至圖8C係顯示以往的振動發電元件，圖8A為剖視圖，圖8B為主要部分俯視圖，圖8C為使用振動發電元件的振動發電裝置之電路圖。
1‧‧‧基座基板
1a‧‧‧基座基板1的第2表面
1b‧‧‧基座基板1的第1表面
1c‧‧‧凹陷部
1d‧‧‧縫隙(貫通孔)
2a‧‧‧支承部
2b‧‧‧懸臂部(可撓部)
2b1 ‧‧‧第1端
2b2 ‧‧‧第2端
2c‧‧‧壓錘部
2d‧‧‧框架部
2d1 ‧‧‧第1邊
2d2 ‧‧‧第2邊
3‧‧‧發電部
3a‧‧‧第1壓電轉換部
3b‧‧‧第2壓電轉換部
4a‧‧‧下部電極
4b‧‧‧中間電極
4c‧‧‧上部電極
5a‧‧‧第1壓電層
5b‧‧‧第2壓電層
6a、6b、6c‧‧‧連接配線
7a‧‧‧下部電極用墊
7b‧‧‧中間電極用墊
7c‧‧‧上部電極用墊
8a‧‧‧第1絶緣層
8b‧‧‧第2絶緣層
10‧‧‧振動發電元件
12a、12e‧‧‧絶緣膜
12b‧‧‧單結晶矽基板
12c‧‧‧埋入氧化膜
12d‧‧‧矽層(活性層)

Claims (10)

  1. 一種振動發電元件，其特徵為具備：基座基板，係具備支承部、及可搖動自如地被該支承部所支承著的懸臂部；及發電部，係構成為形成在前述懸臂部且對應前述懸臂部的振動而產生交流電力；前述發電部具備：下部電極，係形成在前述基座基板的一表面側且與前述懸臂部重疊；第1壓電層，係自前述懸臂部觀看形成在該下部電極的相反側；中間電極，係自前述下部電極觀看形成在該第1壓電層的相反側；第2壓電層，係自前述第1壓電層觀看形成在該中間電極的相反側；及上部電極，係自前述中間電極觀看形成在該第2壓電層的相反側；於前述支承部之前述基座基板的表面具備下部電極用墊、中間電極用墊、及上部電極用墊，該下部電極用墊、該中間電極用墊、及該上部電極用墊係分別透過連接配線而電性連接至前述下部電極、前述中間電極及前述上部電極；於前述發電部，用以防止電性連接於前述中間電極的前述連接配線與前述下部電極之短路的第1絶緣層係以覆蓋前述下部電極及前述第1壓電層各自的周圍部之 方式形成，而用以防止電性連接於前述上部電極的前述連接配線和前述中間電極之短路的第2絶緣層係以覆蓋前述中間電極及前述第2壓電層各自的周圍部之方式形成在前述第1絶緣層上。
  2. 如申請專利範圍第1項之振動發電元件，其中各個前述第1壓電層及前述第2壓電層為強介電質薄膜。
  3. 如申請專利範圍第1項之振動發電元件，其中前述第1壓電層中的分極方向和前述第2壓電層中的分極方向，在前述發電部的厚度方向中為同一方向。
  4. 如申請專利範圍第2項之振動發電元件，其中前述第1壓電層中的分極方向和前述第2壓電層中的分極方向，在前述發電部的厚度方向中為同一方向。
  5. 如申請專利範圍第1項之振動發電元件，其中該懸臂部具有第1端及第2端，在該第1端側藉由該支承部而將該第2端側可搖動自如地支承著；該發電部係配置在該基座基板中的該懸臂部之至少第1端側。
  6. 如申請專利範圍第5項之振動發電元件，其中該基座基板具備：框架部，係具有第1邊及第2邊較其他兩邊短的4個邊且包含該支承部做為該第1邊；及開口，係形成在該框架部和該懸臂部之間。
  7. 如申請專利範圍第6項之振動發電元件，其中該支承部係於該基座基板的前述表面側支承該懸臂部，使該懸臂部的一表面和該框架部的一表面為同一面，並且形 成該基座基板的前述表面；該開口為U形縫隙。
  8. 如申請專利範圍第1項之振動發電元件，其中該第1壓電層及該第2壓電層係各自直接接合在該中間電極的兩面。
  9. 如申請專利範圍第1項之振動發電元件，其中該中間電極係僅由一個或複數個導電層所構成。
  10. 一種振動發電裝置，其特徵係具備：如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之振動發電元件；及二相全波整流器，其係具備：第1輸入端子及第2輸入端子，係分別電性連接於該上部電極及下部電極；及共通端子，係電性連接於做為共通電極之前述中間電極；前述二相全波整流器係構成為：將前述上部電極及前述下部電極所輸出之二相交流轉換成直流。
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