TWI455472B - 振動發電裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種使用MEMS(micro electro mechanical systems：微機電系統)技術，且可將振動能量轉換成電性能量的振動發電裝置。
習知之發電裝置，係將藉由車輛或人類之驅動等任意之振動所引起的振動能量轉換成電性能量之MEMS裝置。關於如此的發電裝置已有完成各種的研究(參照專利文獻1)。
如圖6所示，上述專利文獻1所揭露的發電裝置係揭示一種壓電發電裝置，其具備：基板1；錘部2，設置於基板1；磷青銅板3，連繫基板1與錘部2之間且藉由錘部2位移而撓曲；以及壓電發電部6，在磷青銅板3之雙面積層壓電陶瓷板4與電極5且按照錘部2之擺動而產生交流電壓。
(專利文獻1)日本特開平7-107752號公報
然而，在用途應用(application)時，壓電發電裝置會有無法配合用途應用的環境振動之頻率，調節共振頻率的課題。
本發明係有鑒於上述先前技術而發明者，其課題在於提供一種可配合用途應用固有的共振頻率，而簡單地調節發電裝置之共振頻率的振動發電裝置。
為了解決上述課題，本發明的振動發電裝置，其特徵在於具備：框架部；錘部，設置於前述框架部之內側；撓曲部，連繫前述框架部與前述錘部之間且藉由前述錘部振動而撓曲；以及發電部，在前述撓曲部之一方的表面從下層依序積層有下部電極、壓電層及上部電極且按照前述錘部之擺動而產生交流電壓；且在前述框架部與前述錘部之間，具備共振頻率調節手段。
又，在該振動發電裝置中，較佳為，前述共振頻率調節手段係以與前述撓曲部另外具備之用以連繫前述框架部與前述錘部的支撐樑部構成，且藉由改變前述支撐樑部之初始形狀而調節共振頻率。
又，在該振動發電裝置中，較佳為，前述共振頻率調節手段係在包含前述框架部、前述撓曲部及前述錘部所並排的方向、和前述撓曲部與前述錘部之厚度方向的面內，對稱地具有前述支撐樑部。
又，在該振動發電裝置中，較佳為，前述支撐樑部係在前述框架部與前述錘部之間折疊複數次而成的彈簧狀構造。
又，在該振動發電裝置中，較佳為，前述彈簧狀構造係在折疊的部分具有R。
又，在該振動發電裝置中，較佳為，前述共振頻率調節手段係藉由改變前述支撐樑部之邊的長度而將共振頻率調節成指定值。
又，在該振動發電裝置中，較佳為，前述共振頻率調節手段係藉由改變前述支撐樑部之邊的寬度而將共振頻率調節成指定值。
又，前述框架部係具有長度。前述框架部係於長度方向之一端具有第1支撐部，於前述長度方向之另一端具有第2支撐部。較佳為，撓曲部係相對於前述第1支撐部而安裝。然後，較佳為，撓曲部係以前述錘部位於前述框架部之內側的方式來支撐前述錘部。
又，較佳為，共振頻率調節手段係以支撐樑部構成。支撐樑部係以連結框架部與錘部的方式形成。
又，較佳為，前述錘部係具有長度。錘部係於其長度方向之一端具有第1端，於其長度方向之另一端具有第2端。錘部之前述第1端係藉由前述撓曲部而與前述第1支撐部連結。支撐樑部係連結前述框架部與前述錘部之第2端。
又，較佳為，支撐樑部係具有帶片及連結片。帶片係從前述錘部之前述第2端朝向前述框架部之第1支撐部而延伸出去。帶片係具有連接部分。連接部分係位於前述錘部之前述第2端與前述框架部之第1支撐部之間。2帶片係以連結前述連接部分與前述框架部的方式形成。
又，較佳為，連結片係以連結前述連接部分與前述框架部之第2支撐部的方式形成。
又，錘部係具有寬度。錘部係定義其寬度方向之一端為第1寬度方向端部。第1寬度方向端部係藉由間隙而與前述框架部隔開。較佳為，帶片及前述連結片係配置於前述間隙。
又，帶片係具有第1端與第2端。前述第2端，從帶片來看係位於前述第1端之相反側。較佳為，帶片之前述第2端係與前述錘部之第2端連接。較佳為，連結片之一端係與前述帶片之第1端連接，而另一端係與前述框架部之第2支撐部連接。
又，錘部係具有寬度。錘部係定義其寬度方向之一端為第1寬度方向端部，且定義其寬度方向之另一端為第2寬度方向端部。較佳為，第1寬度方向端部係藉由第1間隙而與前述框架部隔開。第1寬度方向端部係藉由第2間隙而與前述框架部隔開。支撐樑部係以複數個支撐樑部構成。支撐樑部中之一個係配置於前述第1間隙，而前述支撐樑部中之另一個係配置於前述第2間隙。
在本發明的振動發電裝置中，前述振動發電裝置係在前述框架部與前述錘部之間且具備共振頻率調節手段。藉此，可形成將共振頻率調節成指定值的振動發電裝置。
圖1至圖4係顯示本發明之一實施形態的振動發電裝置。該振動發電裝置係具備：框架部11；錘部12，設置於框架部11之內側；撓曲部13，連繫框架部11與錘部12之間且藉由錘部12位移而撓曲；以及發電部18，在撓曲部13之一方的表面從下層依序積層有下部電極15、壓電層16及上部電極17且按照錘部12之擺動而產生交流電壓。又，在框架部11與錘部12之間係具備共振頻率調節手段。然後，該共振頻率調節手段係以與撓曲部13另外具備之用以連繫框架部11與錘部12的支撐樑部20構成，且藉由改變支撐樑部20之形狀而調節共振頻率。又，共振頻率調節手段係在包含框架部11、撓曲部13及錘部12所並排的方向、和撓曲部與錘部之厚度方向的面內，對稱地具有支撐樑部20。又，支撐樑部20係具有在框架部11與錘部12之間折疊複數次而成的彈簧狀構造。又，彈簧狀構造係在折疊的部分具有R。然後，共振頻率調節手段係藉由改變支撐樑部20之邊的長度而將共振頻率調節成指定值。更且，共振頻率調節手段係藉由改變支撐樑部20之邊的寬度(圖2中的L)而將共振頻率調節成指定值。
該振動發電裝置的基板25係使用SOI基板，而SOI基板係從下方依序具有支撐層26、絕緣層27及活性層28。在此，框架部11及錘部12係以支撐層26、絕緣層27及活性層28為主體而構成；而撓曲部13及支撐樑部20係以絕緣層27及活性層28為主體而構成。
又，如圖1所示，振動發電裝置在基板25之活性層28側的表面具備發電部18，並當將活性層28側之表面當作一表面時，則在前述一表面具有已與框架部11固設的第一覆蓋基板29。然後，振動發電裝置當將基板25之支撐層26側的表面當作另一表面時，則在前述另一表面具有已與框架部11固設的第二覆蓋基板30。此等第一覆蓋基板29及第二覆蓋基板30係使用矽或玻璃等而形成。如此，振動發電裝置係使用基板25、第一覆蓋基板29及第二覆蓋基板30而構成。
以下，針對本實施形態中的振動發電裝置具體地詳細說明。
如圖2所示，框架部11之俯視下的外形形狀，為矩形形狀。又，形成於框架部11之內側的錘部12及撓曲部13之俯視下的外形形狀，也與框架部11之外形形狀同樣為矩形形狀。又，形成於撓曲部13之上述一表面側的發電部18之俯視下的外形形狀係順著撓曲部13之外形形狀，為矩形形狀。又，支撐樑部20之俯視下的外形形狀，連繫框架部11與錘部12且包含折疊構造，只要可控制錘部12之擺動，則並沒有形狀之限定。又，支撐樑部20係按照指定的共振頻率之值，而決定支撐樑部20之長度或寬度L的初始形狀。另外，在此所謂的初始形狀係指並未對振動發電裝置加上加速度等之來自外部之力的狀態下的形狀。又，支撐樑部20，在初始形狀下，較佳雖是連接於靠近錘部12之較大的振動動作側(即靠近錘部12之前端)，但是亦可按照所要求的共振頻率之值而形成於靠近發電部18。
又，如圖2所示，框架部11係具有長度與寬度。框架部11係具有沿著其長度的長度方向。框架部11係具有沿著與長度方向交叉的寬度方向之寬度。框架部11係具有第1支撐部111與第2支撐部112。第1支撐部111係位於框架部11之長度方向的一端；第2支撐部112係位於框架部11之長度方向的另一端。又，框架部11係在其寬度方向之一端，具有第1寬度方向端部113，而在其寬度方向之另一端，具有第2寬度方向端部114。
然後，撓曲部13係對著第1支撐部111而安裝。換言之，撓曲部13係由第1支撐部111所支撐。然後，撓曲部13係以錘部12位於框架部11之內側的方式來支撐錘部12。
當進一步詳細說明時，錘部12係具有長度及寬度。錘部12之長度係沿著框架部11之長度方向而形成。錘部12之寬度係沿著與框架部11之長度方向交叉的方向而形成。錘部12係在其長度方向之一端具有第1端121，在其長度方向之另一端具有第2端122。錘部12之第1端121係藉由前述撓曲部13而與第1支撐部111連結。支撐樑部20係以連結框架部11與錘部12之第2端122的方式構成。
又，錘部12係在其寬度方向之一端具有第1寬度方向端部123，而在其寬度方向之另一端具有第2寬度方向端部124。錘部12之第1寬度方向端部123係從錘部12來看，位於與框架部11之第1寬度方向端部113相同之側。錘部12之第2寬度方向端部124係從錘部12來看，位於與框架部11之第2寬度方向端部114相同之側。錘部12之第1寬度方向端部123係透過第1間隙101而與框架部11之第1寬度方向端部113來隔開。錘部12之第2寬度方向端部124係透過第2間隙102而與框架部11之第2寬度方向端部114來隔開。
然後，該振動發電裝置係在撓曲部13之上述一表面具備發電部18。發電部18係從撓曲部13之上述一表面側依序積層有下部電極15、壓電層16及上部電極17。又，在撓曲部13之上述一表面側上，於下部電極15及上部電極17各自形成有由金屬配線構成的連接配線31a、31c而予以連繫。又，在撓曲部13之上述一表面側上，係形成有透過連接配線31a、31c電性連接的下部電極用焊墊32a及上部電極用焊墊32c。
在發電部18中係設計為：下部電極15之平面尺寸最大，壓電層16之平面尺寸第二大，上部電極17之平面尺寸最小。在本實施形態中，俯視下，壓電層16位於下部電極15之外周線的內側，上部電極17位於壓電層16之外周線的內側。
又，在本實施形態的共振頻率調節手段中，支撐樑部20在初始形狀下，於靠近錘部12之前述前端對稱地具備二個支撐樑部20。又，如圖3(a)所示，該支撐樑部20係藉由折疊複數次而具有彈簧狀之構造，且藉由指定的共振頻率值來增減該折疊的部分之次數而形成。又，該彈簧狀構造係改變支撐樑部20之邊的長度、或是支撐樑部20之邊的寬度而形成，藉此設定在所要求的共振頻率之值。又，如圖3(b)所示，該折疊構造係以在錘部12振動時於應力集中的折疊部分之內緣具有R的方式形成。另外，折疊部分之外緣，亦可與內緣同樣地以具有R的方式形成。
支撐樑部20雖然係具有彈簧狀構造，但是從其他的觀點說明時，支撐樑部20係具有帶片21與連結片22。如圖3(a)所示，帶片21係從錘部12之第2端122朝向框架部11之第1支撐部111而延伸出去。帶片21係具有連接部分。該連接部分係位於錘部12之第2端122與框架部11之第1支撐部111之間。
當進一步詳細說明時，帶片21係具有第1端211與第2端212。帶片21之第2端212係位於帶片21之第1端21的相反側。帶片21之第2端212係與錘部12之第2端122連接。
連接片22係以連結連接部分與框架部11的方式形成。當進一步詳細說明時，連結片22係以連結連接部分與框架部11之第2支撐部112的方式形成。當更進一步詳細說明時，連結片22之一端係與帶片21之第1端211連接；而連結片22之另一端係與框架部11之第2支撐部112連接。
然後，連結片22及帶片21係位於第1寬度方向端部123與框架部11之間的間隙。當進一步詳細說明時，連結片22及帶片21係配置於第1寬度方向端部123與框架部11之第1寬度方向端部113之間的間隙101，且配置於第2寬度方向端部124與框架部11之第2寬度方向端部114之間的間隙102。
又，如圖4所示，發電部18係具有：下部電極15，形成於撓曲部13之上述一表面側；壓電層16，形成於下部電極15中之撓曲部13的相反側；以及上部電極17，形成於壓電層16中之下部電極15的相反側。更且，發電部18可至少從框架部11與撓曲部13之境界形成至錘部12與撓曲部13之境界。另外，發電部18一致於框架部11與撓曲部13之境界，由於不存在即使對發電部18振動亦無助於發電的部分，而可謀求發電量之提高，故較佳。在基板25之上述一表面側上，其中防止電性連接於上部電極17的連接配線31c與下部電極15之短路用的絕緣部35係以覆蓋下部電極15及壓電層16各自位於框架部11側之端部的形式來形成.。
另外，絕緣部35，雖然是藉由氧化矽膜而構成，但是並不限於氧化矽膜，亦可藉由氮化矽膜而構成。又，在基板25與下部電極15之間形成有由MgO層所構成的種子層(未圖示)。又，在矽基板25之上述一表面側及上述另一表面側係形成有氧化矽膜36、37。
又，第一覆蓋基板29係在基板25側之一表面側，形成由錘部12及撓曲部13所構成的可動部之位移空間，且將該位移空間當作第一凹處38。
第一覆蓋基板20係在第一覆蓋基板29之另一表面側，形成用以將在發電部18產生的交流電壓供給至外部的輸出用電極40、40。各輸出用電極40、40係分別與形成於第一覆蓋基板29之其中一表面側的連絡用電極41、41，透過貫設於第一覆蓋基板29之厚度方向的貫通孔配線42、42而電性連接。在此，第一覆蓋基板29係使連絡用電極41、41與基板25之下部電極用焊墊32a、上部電極用焊墊32c接合，而電性連接。另外，雖然是將各輸出用電極40、40及各連絡用電極41、41藉由Ti(鈦)膜與Au(金)膜之積層膜而構成，但是並非特別限定此等的材料或層構造。又，各貫通孔配線42、42之材料雖然是採用Cu(銅)，但是並未限於此，例如亦可採用Ni(鎳)、Al(鋁)等。
在本實施形態中，使用以矽的基板作為第一覆蓋基板29的情況，第一覆蓋基板29係使由用以防止二個輸出用電極40、40彼此短路之氧化矽膜構成的絕緣膜43，橫跨於第一覆蓋基板29之上述其中一表面側及上述另一表面側且與在內側形成有貫通孔配線42、42的貫通孔44、44之內周面。另外，若使用如玻璃的基板之絕緣性基板作為第一覆蓋基板29，就沒有必要設置如此的絕緣膜43。
又，第二覆蓋基板30係在基板25側之其中一表面側，形成由錘部12及撓曲部13所構成的可動部之位移空間，且將該位移空間當作第二凹處39。另外，第二覆蓋基板30，亦可使用如玻璃基板的絕緣性基板。
又，在上述的基板25之上述其中一表面側係形成有用以與第一覆蓋基板29接合的第一接合用金屬層46，且在第一覆蓋基板29，形成有接合於第一接合用金屬層46的第二接合用金屬層(未圖示)。在此，作為第一接合用金屬層46之材料係採用與下部電極用焊墊32a、上部電極用焊墊32c相同的材料，且第一接合用金屬層46係在基板25之其中一表面上形成有與下部電極用焊墊32a、上部電極用焊墊32c相同的厚度。
基板25、第一覆蓋基板29及第2覆蓋基板30，雖然係藉由常溫接合法而接合，但並不限於常溫接合法，例如，亦可藉由陽極接合法、或用環氧樹脂等的樹脂接合法等而接合。另外，本實施形態的振動發電裝置係利用MEMS裝置之製造技術等而形成。
在以上已說明的本實施形態之振動發電裝置中，由於發電部18是以下部電極15、壓電層16及上部電極17構成，所以壓電層16會藉由撓曲部13之振動而接受應力，然後在下部電極15與上部電極17產生電荷之偏移，進而在發電部18產生交流電壓。又，此時，支撐樑部20係起控制錘部12過度振動的作用。
在此，當將用於振動發電裝置之壓電層16的壓電材料之相對介電係數(relative permittivity)設為ε、將發電指數設為P時，就成立Pe312
/ε之關係，且發電指數P越大發電效率就變得越大。從用於振動發電裝置之作為代表壓電材料的PZT及AlN各自之壓電常數e31、相對介電係數ε的一般值來看係以採用對發電指數P發揮自乘作用之壓電常數e31大的PZT較能加大發電指數P。本實施形態中的振動發電裝置，雖然是採用為鉛系壓電材料之一種的PZT，作為壓電層16之壓電材料，但是鉛系壓電材料，並不限於PZT，例如亦可採用PZT-PMN(：Pb(Mn,Nb)O3
)或添加了其他雜質的PZT。但是，壓電層16之壓電材料，並不限於鉛系壓電材料，亦可採用其他的壓電材料。
以下，有關本實施形態的振動發電裝置之製造方法，雖然是一邊參照圖5一邊加以說明，但是，圖5(a)至圖5(g)係顯示對應圖1之A-A’剖面的部位。
首先，進行絕緣膜形成步驟，藉此獲得圖5(a)所示的構造，該絕緣膜形成步驟係在使用矽而形成的矽基板25之上述其中一表面側與上述另一表面側，藉由熱氧化法等形成氧化矽膜36、37。
之後，進行如下的金屬層形成步驟：在基板25之上述一表面的全面上，藉由濺鍍法或CVD法等而形成連接有配線31a及作為下部電極用焊墊32a基礎之由Pt(鉑)層構成的金屬層50。接著，進行壓電膜形成步驟，藉此獲得圖5(b)所示的構造，該壓電膜形成步驟係在基板25之上述其中一表面的全面藉由濺鍍法或CVD法或溶膠凝膠法(sol-gel method)等而形成由壓電材料(例如，PZT膜等)構成之成為壓電層16基礎的壓電膜51(例如，PZT膜等)。另外，金屬層50，並不限於Pt層，例如既可為Al層或Al-Si層，又可為以Pt層和夾介存在於該Pt層與種子層之間的密接性改善用之Ti層構成。在此，密接層之材料並不限於Ti，亦可為Cr(鉻)、Nb(鈮)、Zr(鋯)、TiN、TaN等。
在上述的壓電膜形成步驟之後，進行壓電膜圖案化步驟，藉此獲得圖5(c)所示的構造，該壓電膜圖案化步驟係利用光微影術及蝕刻術將壓電膜51圖案化，而形成由壓電膜51之一部分構成的壓電層16。
之後，進行金屬層圖案化步驟，藉此獲得圖5(d)所示的構造，該金屬層圖案化步驟係利用光微影術及蝕刻術將上述的金屬層50圖案化，而分別形成由金屬層50之一部分構成的下部電極15、連接配線31a及下部電極用焊墊32a。另外，在本實施形態的金屬層圖案化步驟中，雖然是藉由將金屬層50圖案化，而與下部電極15一併形成連接有配線31a及下部電極用焊墊32a，但是並不限於此，亦可在金屬層圖案化步驟中藉由將金屬層50圖案化而只形成下部電極15，之後，再另外設置形成連接有配線31a及下部電極用焊墊32a的配線形成步驟。又，亦可個別地設置形成連接有配線31a的連接配線形成步驟與形成下部電極用焊墊32a的下部電極用焊墊形成步驟。又，正當進行金屬層50之蝕刻時，例如只要採用RIE法或離子銑法等即可。
在藉由上述的金屬層圖案化步驟而形成下部電極15、連接配線31a及下部電極用焊墊32a之後，接著在基板25之上述其中一表面側形成絕緣部35的絕緣部形成步驟，藉此獲得圖5(e)所示的構造。在絕緣部形成步驟中，雖然是在將絕緣層藉由CVD法等成膜於基板25之上述其中一表面側的全面之後，再利用光微影術及蝕刻術進行圖案化，但是亦可利用舉離法(lift off)來形成絕緣部35。
在上述的絕緣部形成步驟之後，不但利用例如EB蒸鍍法或濺鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、光微影術、蝕刻術而形成上部電極17的上部電極形成步驟，同時也可進行配線形成步驟，藉此獲得圖5(f)所示的構造，該配線形成步驟係利用EB蒸鍍法或濺鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、光微影術、蝕刻術而形成連接配線31c及上部電極用焊墊32c。換言之，在本實施形態中，雖然是在上部電極形成步驟中，與上部電極17一併形成連接配線31c及上部電極用焊墊32c，但是並不限於此，亦可個別地進行上部電極形成步驟與配線形成步驟。又，就配線形成步驟而言，亦可個別地設置形成連接配線31c的連接配線形成步驟與形成上部電極用焊墊32c的上部電極用焊墊形成步驟。另外，上部電極17之蝕刻，雖然較佳為RIE法等的乾式蝕刻，但是亦可為濕式蝕刻，例如只要藉由碘化鉀水溶液來濕蝕刻Au膜、藉由過氧化氫水來濕蝕刻Ti膜即可。另外，上部電極17係使用Pt或Al或Al-Si等而構成。
如上所述在形成上部電極17、連接配線31c、上部電極用焊墊32c之後，再利用光微影術及蝕刻術等而形成框架部11、錘部12、撓曲部13及支撐樑部20的基板加工步驟，藉此獲得圖5(g)所示的構造。於此，在基板加工步驟中係進行如下的表面溝槽形成步驟：利用光微影術及蝕刻術等，將基板25中之框架部11、錘部12、撓曲部13及支撐樑部20以外的部位，從基板25之上述其中一表面側蝕刻到達絕緣層27為止，藉此形成表面溝槽。接著，進行如下的背面溝槽形成步驟：利用光微影術及蝕刻術等，將基板25從上述另一表面側蝕刻框架部11及錘部12以外的部位到達絕緣層27為止，藉此形成背面溝槽。接著，藉由蝕刻絕緣層27，使表面溝槽與背面溝槽連通，而再形成框架部11、錘部12、撓曲部13及支撐樑部。藉由進行該蝕刻步驟，獲得圖5(g)所示的構造之發電裝置。
然而，在本實施形態中，由於是在基板加工步驟之表面溝槽形成步驟及背面溝槽形成步驟中，使用能夠垂直深挖的感應耦合電漿(ICP)型的蝕刻裝置來蝕刻基板25，所以可將撓曲部13之背面與框架部11之內側面所成的角度形成大致90度。另外，基板加工步驟之表面溝槽形成步驟及背面溝槽形成步驟，並不限於使用ICP型乾式蝕刻裝置的乾式蝕刻，只要能夠進行異向性高的蝕刻即可，亦可採用其他的乾式蝕刻裝置。又，在基板25之上述一表面為(110)面的情況，亦可為用TMAH水溶液或KOH水溶液等的鹼系溶液之濕式蝕刻(結晶異向性蝕刻)。
另外，本實施形態的發電裝置係在以晶圓級進行至基板加工步驟結束之後，才藉由進行切割步驟而分割成各個的振動發電裝置。
在本實施形態中，由於具備第一覆蓋基板29及第2覆蓋基板30，所以是在形成上述撓曲部13的蝕刻步驟之後，才進行接合各覆蓋基板29、30的覆蓋接合步驟。該情況，只要是在以晶圓級進行至覆蓋接合步驟結束之後，才藉由進行切割步驟而分割成各個的發電裝置即可。於此，各覆蓋基板29、30，只要適當應用光微影步驟、蝕刻步驟、薄膜形成步驟、電鍍步驟等的周知步驟而形成即可。
然而，在發電部18中，雖然是在下部電極15上形成壓電層16，但是亦可藉由使壓電層16於成膜時作為底層的緩衝層(未圖示)，夾介存在於下部電極15與壓電層16之間，而使壓電層16之結晶性更加改善。作為緩衝層之材料，只要採用為導電性氧化物材料之任一種的SrRuO3
、(Pb,Ra)TiO3
、PbTiO3
等即可。
因而，在本實施形態的振動發電裝置中係在框架部11與錘部12之間，具備共振頻率調節手段。藉此，振動發電裝置係可在初始形狀下，將共振頻率調節成指定值而形成。
又，在本實施形態的振動發電裝置中，共振頻率調節手段係以與撓曲部13另外具備用以連繫框架部11與錘部12的支撐樑部20構成，且藉由改變支撐樑部20之形狀而調節共振頻率。藉此，振動發電裝置係可在初始形狀下，將共振頻率調節成指定值而形成。更且，將過大的加速度加在振動發電裝置時，錘部12之位移會急速擴大，而可抑制振動發電裝置破損。
然後，在本實施形態的振動發電裝置中，共振頻率調節手段係在包含框架部11、撓曲部13及錘部12所並排的方向、和前述撓曲部與前述錘部之厚度方向的面內，對稱地形成支撐樑部20。此在初始形狀下，藉由將支撐樑部20形成對稱的支撐狀態，就不易影響到振動發電裝置之振動特性，而可提高振動狀態的穩定性。
又，在本實施形態的振動發電裝置中，支撐樑部20係具有在框架部11與錘部12之間折疊複數次而成的彈簧狀構造。此可限制因加在振動發電裝置的加速度而振動的錘部12之振幅，且抑制振動發電裝置之破損。又，藉由折疊部分之次數，在初始形狀下，可將共振頻率調節成指定值而形成振動發電裝置。
更且，在本實施形態的振動發電裝置中，彈簧狀構造係在折疊的部分具有R。藉此，支撐樑部20，可緩和應力集中，且提高耐加速度性。
更且，在本實施形態的振動發電裝置中，共振頻率調節手段係藉由改變支撐樑部20之邊的長度而將共振頻率調節成指定值以形成振動發電裝置。藉此，只要改變支撐樑部20之長度的初始形狀，就可製作能夠簡單地改變共振頻率的振動發電裝置。
又，在本實施形態的振動發電裝置中，共振頻率調節手段係藉由改變支撐樑部20之邊的寬度而將共振頻率調節成指定值，以形成振動發電裝置。藉此，只要改變支撐樑部20之寬度的初始形狀，就可製作能夠簡單地改變共振頻率的振動發電裝置。
然後，該振動發電裝置係藉由具備支撐樑部20，而可在濕式蝕刻或抗蝕劑去除時的浸漬法(dip)之步驟等中，可抑制因荷重加在脆弱的撓曲部13而破損，且也可抑制撓曲部13之破損。又，可控制使加工較薄的撓曲部13，因發電部18的壓電層16之殘留應力或僅僅錘部12之重力的影響而畸變。
又，框架部11係具有長度。框架部11係於長度方向之一端具有第1支撐部111，於前述長度方向之另一端具有第2支撐部112。撓曲部係由第1支撐部111而支撐。撓曲部13係以前述錘部12位於前述框架部11之內側的方式來支撐前述錘部12。
又，錘部12係具有長度。錘部12係於其長度方向之一端具有第1端121，於其長度方向之另一端具有第2端122。錘部12之前述第1端121係藉由前述撓曲部13而與前述第1支撐部111連結。支撐樑部20係連結前述框架部11與前述錘部12之第2端122。
又，支撐樑部20係具有帶片21及連結片22。前述帶片21係從前述錘部12之前述第2端122朝向前述框架部11之第1支撐部111而延伸出去。帶片21係具有連接部分。連接部分係位於前述錘部12之前述第2端122與前述框架部11之第1支撐部111之間。連結片22係以連結前述連接部分與前述框架部11的方式形成。藉此，可限制因加在振動發電裝置的加速度而振動的錘部12之振幅。當更具體說明時，可限制因加在振動發電裝置的加速度而振動的錘部12，沿著框架部11之厚度方向來振動。因而，可限制錘部12之沿著框架部11之厚度方向的振幅。是而，可抑制振動發電裝置之破損。
又，連結片22係以連結前述連接部分與前述框架部11之第2支撐部112的方式形成。藉此，可限制因加在振動發電裝置的加速度而振動的錘部12之振幅。當進一步具體說明時，可限制因加在振動發電裝置的加速度而振動的錘部12，沿著框架部11之厚度方向的振動。因而，可限制錘部12之沿著框架部11之厚度方向的振幅。是而，可抑制振動發電裝置之破損。
又，錘部12係具有寬度。錘部12係定義其寬度方向之一端為第1寬度方向端部123。第1寬度方向端部123係藉由第1間隙101而與前述框架部11隔開。支撐樑部20係配置於前述第1間隙101。藉此，支撐樑部20，可預防錘部12朝沿著錘部12之寬度方向的方向振動。結果，可減低沿著錘部12之寬度方向，而對撓曲部13施加之力。亦即，可預防撓曲部13之破損。
又，帶片21係具有第1端211與第2端212。帶片21之第2端212係位於帶片21之第1端211的相反側。帶片21之前述第2端212係與前述錘部12之第2端122連接。連結片22之一端係與前述帶片21之第1端211連接，而另一端係與前述框架部11之第2支撐部112連接。因而，可限制錘部12之沿著框架部11之厚度方向的振幅。是而，可抑制振動發電裝置之破損。
又，配置於第1間隙101的前述支撐樑部20係與配置於前述第2間隙102的前述支撐樑部20，相對於前述錘部12為對稱。因而，可限制錘部12之沿著框架部11之厚度方向的振幅。是而，可抑制振動發電裝置之破損。
又，框架部11係在寬度方向之一端具有第1寬度方向端部113，而在寬度方向之另一端具有第2寬度方向端部114。錘部12係在寬度方向之一端具有第1寬度方向端部123，而在寬度方向之另一端具有第2寬度方向端部124。框架部11之第1寬度方向端部113係從錘部12來看，位於與錘部12之第1寬度方向端部123相同之側。框架部11之第2寬度方向端部114係從錘部12來看，位於與錘部12之第2寬度方向端部124相同之側。錘部12之第1寬度方向端部123係藉由第1間隙101，而與框架部11之第1寬度方向端部113隔開。錘部12之第2寬度方向端部124係藉由第2間隙102而與框架部11之第2寬度方向端部114隔開。支撐樑部20係以複數個支撐樑部20構成。支撐樑部20中之一個係配置於前述第1間隙101，而前述支撐樑部20中之另一個係配置於前述第2間隙102。因而，可限制錘部12之沿著框架部11之厚度方向的振幅。是而，可抑制振動發電裝置之破損。
另外，在實施形態中，振動發電裝置係具有二個支撐樑部20。然而，此個數並未被限於二個。既可為一個，又可為三個以上。亦即，支撐樑部20之數，只要是一個以上即可。
1．．．基板
2．．．錘部
3．．．磷青銅板
4．．．壓電陶瓷板
5．．．電極
6．．．壓電發電部
11．．．框架部
12．．．錘部
13．．．撓曲部
15．．．下部電極
16．．．壓電層
17．．．上部電極
18．．．發電部
20．．．支撐樑部
21．．．帶片
22．．．連結片
25．．．基板
26．．．支撐層
27．．．絕緣層
28．．．活性層
29．．．第一覆蓋基板
30．．．第二覆蓋基板
31a．．．連接配線
31c．．．連接配線
32a．．．下部電極用焊墊
32c．．．上部電極用焊墊
35．．．絕緣部
36．．．氧化矽膜
37．．．氧化矽膜
38．．．第一凹處
39．．．第二凹處
40．．．輸出用電極
41．．．連絡用電極
42．．．貫通孔配線
43．．．絕緣膜
44．．．貫通孔
46．．．第一接合用金屬層
50．．．金屬層
51．．．壓電膜
101．．．第1間隙
102．．．第2間隙
111．．．第1支撐部
112．．．第2支撐部
113．．．第1寬度方向端部
114．．．第2寬度方向端部
121．．．第1端
123．．．第1寬度方向端部
124．．．第2寬度方向端部
122．．．第2端
211．．．第1端
212．．．第2端
圖1係顯示本發明之一實施形態的振動發電裝置之概略分解立體圖。
圖2係顯示本發明之一實施形態的振動發電裝置中的基板之概略俯視圖。
圖3(a)及圖3(b)係顯示本發明之一實施形態的振動發電裝置中的支撐樑部之變化例的概略俯視圖。
圖4係顯示本發明之一實施形態的振動發電裝置之基板的概略分解剖視圖。
圖5(a)至圖5(g)係用以說明顯示本發明之一實施形態的振動發電裝置中的基板之製造方法的圖1之A-A’剖面中的主要步驟剖視圖。
圖6係顯示習知例的振動發電裝置之概略剖視圖。
11．．．框架部
12．．．錘部
13．．．撓曲部
18．．．發電部
25．．．基板
29．．．第一覆蓋基板
31a．．．連接配線
31c．．．連接配線
32a．．．下部電極用焊墊
32c．．．上部電極用焊墊
40．．．輸出用電極
46．．．第一接合用金屬層
111．．．第1支撐部
112．．．第2支撐部
114．．．第2寬度方向端部
Claims (15)
- 一種振動發電裝置，其特徵在於具備：框架部；錘部，設置於前述框架部之內側；撓曲部，連繫前述框架部與前述錘部之間且藉由前述錘部振動而撓曲；以及發電部，在前述撓曲部之一方的表面從下層依序積層有下部電極、壓電層及上部電極且按照前述錘部之擺動而產生交流電壓；在前述框架部與前述錘部之間，具備共振頻率調節手段；前述共振頻率調節手段係以與前述撓曲部另外具備之用以連繫前述框架部與前述錘部的支撐樑部構成，且藉由改變前述支撐樑部之初始形狀而調節共振頻率。
- 如申請專利範圍第1項之振動發電裝置，其中前述共振頻率調節手段係在包含有前述框架部、前述撓曲部及前述錘部所並排的方向、和前述撓曲部與前述錘部之厚度方向的面內，對稱地具有前述支撐樑部。
- 如申請專利範圍第1或2項之振動發電裝置，其中前述支撐樑部係在前述框架部與前述錘部之間，具有折疊複數次而成的彈簧狀構造。
- 如申請專利範圍第3項之振動發電裝置，其中前述彈簧狀構造係在折疊的部分具有R。
- 如申請專利範圍第1或2項之振動發電裝置，其中前述共振頻率調節手段係藉由改變前述支撐樑部之邊的長度而將共振頻率調節成指定值。
- 如申請專利範圍第1或2項之振動發電裝置，其中前述共 振頻率調節手段係藉由改變前述支撐樑部之邊的寬度而將共振頻率調節成指定值。
- 一種振動發電裝置，其特徵在於具備：框架部；錘部，設置於前述框架部之內側；撓曲部，連繫前述框架部與前述錘部之間且藉由前述錘部振動而撓曲；以及發電部，在前述撓曲部之一方的表面從下層依序積層有下部電極、壓電層及上部電極且按照前述錘部之擺動而產生交流電壓；在前述框架部與前述錘部之間，具備共振頻率調節手段；前述框架部係具有長度；前述框架部係於長度方向之一端具有第1支撐部，而於前述長度方向之另一端具有第2支撐部；前述撓曲部係由前述第1支撐部所支撐；前述撓曲部係以前述錘部位於前述框架部之內側的方式來支撐前述錘部。
- 如申請專利範圍第7項之振動發電裝置，其中前述共振頻率調節手段係以支撐樑部構成；前述支撐樑部係以連結框架部與錘部的方式形成。
- 如申請專利範圍第8項之振動發電裝置，其中前述錘部係具有長度；前述錘部係於其長度方向之一端具有第1端，於其長度方向之另一端具有第2端；前述錘部之前述第1端係藉由前述撓曲部而與前述第1支撐部連結； 前述支撐樑部係連結前述框架部與前述錘部之第2端。
- 如申請專利範圍第9項之振動發電裝置，其中前述支撐樑部係具有帶片及連結片；前述帶片係從前述錘部之前述第2端朝向前述框架部之第1支撐部而延伸出去；前述帶片係具有連接部分；前述連接部分係位於前述錘部之前述第2端與前述框架部之第1支撐部之間；前述連結片係以連結前述連接部分與前述框架部的方式形成。
- 如申請專利範圍第10項之振動發電裝置，其中前述連結片係以連結前述連接部分與前述框架部之第2支撐部的方式形成。
- 如申請專利範圍第11項之振動發電裝置，其中前述錘部係具有寬度；前述錘部係定義其寬度方向之一端為第1寬度方向端部；前述第1寬度方向端部係藉由第1間隙而與前述框架部隔開；前述支撐樑部係配置於前述第1間隙。
- 如申請專利範圍第11項之振動發電裝置，其中前述錘部係具有寬度；前述錘部係定義其寬度方向之一端為第1寬度方向端部，且定義其寬度方向之另一端為第2寬度方向端部；前述第1寬度方向端部係藉由第1間隙而與前述框架部隔開；前述第1寬度方向端部係藉由第2間隙而與前述框架部隔 開；前述支撐樑部係以複數個支撐樑部構成；前述支撐樑部中之一個係配置於前述第1間隙，而前述支撐樑部中之另一個係配置於前述第2間隙。
- 如申請專利範圍第12或13項之振動發電裝置，其中前述帶片係具有第1端與第2端，且前述第2端係位於前述第1端之相反側；前述帶片之前述第2端係與前述錘部之第2端連接；前述連結片之一端係與前述帶片之第1端連接，而另一端係與前述框架部之第2支撐部連接。
- 如申請專利範圍第13項之振動發電裝置，其中配置於前述第1間隙的前述支撐樑部係與配置於前述第2間隙的前述支撐樑部，相對於前述錘部為對稱。
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