WO2014020786A1 - Power-generating device - Google Patents
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Abstract
A power-generating device comprising a support part, a flexible part supported on the support part, and a piezoelectric transducer provided to the flexible part. A plurality of side surfaces of the flexible part extend from a plurality of respective intersecting points between the side surfaces of the flexible part and an end surface of the support part on the side near the flexible part, toward the opposite side of the support part as seen from the end surface side.
Description
本発明は、発電デバイスに関するものである。
The present invention relates to a power generation device.
近年、振動エネルギを電気エネルギに変換するように構成される発電デバイスは、環境発電（エナジーハーベスティング）などの分野で注目されている。
In recent years, power generation devices configured to convert vibration energy into electrical energy have attracted attention in fields such as energy harvesting.
例えば、日本国特許出願公開番号２０１１－９１３１８は、発電デバイスを開示する。
For example, Japanese Patent Application Publication No. 2011-91318 discloses a power generation device.
上記発電デバイスは、フレーム部（支持部）及びフレーム部に揺動自在に支持されたカンチレバー部を有するカンチレバー形成基板と、カンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部とを備えている。圧電変換部は、カンチレバー形成基板の一表面側においてカンチレバー部に形成されている。また、カンチレバー形成基板は、カンチレバー部の先端部に、錘部が一体に設けられている。
The power generation device includes a frame part (support part), a cantilever forming substrate having a cantilever part swingably supported by the frame part, and a piezoelectric conversion part that generates an alternating voltage in response to vibration of the cantilever part. Yes. The piezoelectric conversion part is formed in the cantilever part on the one surface side of the cantilever forming substrate. In addition, the cantilever-forming substrate is integrally provided with a weight portion at the tip of the cantilever portion.
フレーム部とカンチレバー部と錘部とは、素子形成基板を用いて形成されている。この素子形成基板としては、単結晶シリコン基板からなる支持基板上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜上に単結晶のシリコン層を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用いられている。
The frame part, the cantilever part and the weight part are formed using an element forming substrate. As the element formation substrate, an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a single crystal silicon layer on a buried oxide film made of a silicon oxide film on a support substrate made of a single crystal silicon substrate is used.
圧電変換部は、下部電極と、下部電極におけるカンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とで構成されている。
The piezoelectric conversion part is composed of a lower electrode, a piezoelectric layer formed on the opposite side of the lower electrode to the cantilever part side, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer opposite to the lower electrode side.
また、カンチレバー形成基板の上記一表面側には、下部電極及び上部電極それぞれに２つの接続配線を介して電気的に接続された下部電極用パッド及び上部電極用パッドが形成されている。
Further, on the one surface side of the cantilever forming substrate, a lower electrode pad and an upper electrode pad electrically connected to each of the lower electrode and the upper electrode via two connection wirings are formed.
ところで、上記発電デバイスでは、カンチレバー部が振動したときに、カンチレバー部の両側面とフレーム部におけるカンチレバー部側の端面との交点の近傍に応力が集中する。このため、上記発電デバイスでは、カンチレバー部に過度の振動が加わった場合に、カンチレバー部が破損してしまう懸念がある。
By the way, in the above power generation device, when the cantilever part vibrates, stress concentrates in the vicinity of the intersection between the both side surfaces of the cantilever part and the end face of the frame part on the cantilever part side. For this reason, in the said electric power generation device, when excessive vibration is added to the cantilever part, there exists a possibility that a cantilever part may be damaged.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、フレーム部におけるカンチレバー部の固定端面に応力が集中するのを緩和して、発電デバイスの信頼性を向上することにある。
The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object of the present invention is to alleviate stress concentration on the fixed end face of the cantilever portion in the frame portion and improve the reliability of the power generation device.
本発明の発電デバイスは、支持部（１１）と、前記支持部（１１）に支持された可撓部（１８）と、前記可撓部（１８）に設けられ前記可撓部（１８）の振動により生じる応力を交流電圧に変換するように構成される圧電変換部（１４）とを備える。前記可撓部（１８）の複数の側面（１８ａ，１８ａ）は、それぞれ、前記可撓部（１８）の複数の側面（１８ａ，１８ａ）と前記可撓部（１８）側の前記支持部（１１）の端面（１１ａ）との間の２つの交点（Ｐ，Ｐ）から、前記端面（１１ａ）側から見て前記支持部（１１）の反対側に延長されている。
The power generation device of the present invention includes a support portion (11), a flexible portion (18) supported by the support portion (11), and the flexible portion (18). And a piezoelectric transducer (14) configured to convert a stress generated by vibration into an alternating voltage. The plurality of side surfaces (18a, 18a) of the flexible part (18) are respectively a plurality of side surfaces (18a, 18a) of the flexible part (18) and the support part (18) on the flexible part (18) side. 11) is extended from the two intersections (P, P) with the end surface (11a) to the opposite side of the support portion (11) when viewed from the end surface (11a) side.
一実施形態において、前記可撓部（１８）は梁部（１２）であり、前記梁部（１２）の先端に錘部（１３）が設けられている。前記梁部（１２）の複数の側面（１８ａ，１８ａ）は、前記梁部（１２）の複数の側面（１８ａ，１８ａ）と前記支持部（１１）側の前記錘部（１３）の端面（１３ａ）との間の交点（Ｑ，Ｑ）から、前記錘部（１３）の端面（１３ａ）側から見て前記錘部（１３）の反対側に延長されている。
In one embodiment, the flexible part (18) is a beam part (12), and a weight part (13) is provided at the tip of the beam part (12). The plurality of side surfaces (18a, 18a) of the beam portion (12) are formed from a plurality of side surfaces (18a, 18a) of the beam portion (12) and an end surface of the weight portion (13) on the support portion (11) side ( 13a) is extended from the intersection (Q, Q) to the opposite side of the weight part (13) when viewed from the end face (13a) side of the weight part (13).
一実施形態において、Ｕ字状のスリット（１０ｄ）が前記支持部（１１）と前記可撓部（１８）との間に形成される。前記可撓部（１８）を支持する前記支持部（１１）の一部（１１１）は、２つの凹部（２０ａ，２０ａ）を含み、これらは、前記スリット（１０ｄ）の２つの端部にそれぞれ連通し、前記スリット（１０ｄ）の２つの端部に位置する前記可撓部（１８）の２つの側面（１８ａ，１８ａ）とそれぞれ面一となる２つの内面（２０１，２０１）を含む。前記２つの内面（２０１，２０１）が前記可撓部（１８）から延長された複数の側面（１８ａ，１８ａ）に対応する。
In one embodiment, a U-shaped slit (10d) is formed between the support part (11) and the flexible part (18). A part (111) of the support part (11) that supports the flexible part (18) includes two recesses (20a, 20a), which are respectively provided at two ends of the slit (10d). It includes two inner surfaces (201, 201) that communicate with each other and are flush with the two side surfaces (18a, 18a) of the flexible portion (18) located at the two ends of the slit (10d). The two inner surfaces (201, 201) correspond to a plurality of side surfaces (18a, 18a) extended from the flexible part (18).
一実施形態において、Ｕ字状のスリット（１０ｄ）が前記支持部（１１）と前記可撓部（１８）との間に形成される。前記支持部（１１）側の前記可撓部（１８）の一部の幅寸法は、前記可撓部（１８）の残部の幅寸法よりも小さい。前記可撓部（１８）の残部は、前記可撓部（１８）の残部の一表面（１８Ａ）に形成された２つの凹部（２０ｂ，２０ｂ）を含み、これらは、前記スリット（１０ｄ）の２つの端部にそれぞれ連通し、前記スリット（１０ｄ）の２つの端部に位置する前記可撓部（１８）の一部の２つの側面（１８ａ，１８ａ）とそれぞれ面一となる２つの内面（２０２，２０２）を含む。前記２つの内面（２０２，２０２）が、上記可撓部（１８）の一部から延長された側面（１８ａ，１８ａ）となる。
In one embodiment, a U-shaped slit (10d) is formed between the support part (11) and the flexible part (18). The width dimension of a part of the flexible part (18) on the support part (11) side is smaller than the width dimension of the remaining part of the flexible part (18). The remaining portion of the flexible portion (18) includes two concave portions (20b, 20b) formed on one surface (18A) of the remaining portion of the flexible portion (18), which are formed on the slit (10d). Two inner surfaces respectively communicating with two end portions and flush with two side surfaces (18a, 18a) of a part of the flexible portion (18) positioned at the two end portions of the slit (10d). (202, 202). The two inner surfaces (202, 202) serve as side surfaces (18a, 18a) extended from a part of the flexible portion (18).
本発明の発電デバイスにおいては、信頼性の向上を図ることが可能となる。
In the power generation device of the present invention, it is possible to improve the reliability.
本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に記述する。本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な記述及び添付図面に関連して一層良く理解されるものである。
図１Ａは本発明の実施形態１による発電デバイスの概略平面図、図１Ｂは図１ＡのＡ－Ａ概略断面図、図１Ｃは図１ＡのＢ－Ｂ概略断面図、図１Ｄは図１ＡのＣ－Ｃ概略断面図である。
実施形態１の発電デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
実施形態１の発電デバイスの別例における要部概略斜視図である。
図４Ａは本発明の実施形態２による発電デバイスの概略平面図、図４Ｂは図４ＡのＡ－Ａ概略断面図、図４Ｃは図４ＡのＢ－Ｂ概略断面図、図４Ｄは図４ＡのＣ－Ｃ概略断面図である。
実施形態２の発電デバイスの別例における要部概略斜視図である。
Preferred embodiments of the invention are described in further detail. Other features and advantages of the present invention will be better understood with reference to the following detailed description and accompanying drawings.
1A is a schematic plan view of a power generation device according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view along AA in FIG. 1A, FIG. 1C is a schematic cross-sectional view along BB in FIG. 1A, and FIG. -C is a schematic cross-sectional view. FIG. 6 is a main process cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the power generation device of the first embodiment. It is a principal part schematic perspective view in another example of the electric power generating device of Embodiment 1. FIG. 4A is a schematic plan view of a power generation device according to Embodiment 2 of the present invention, FIG. 4B is a schematic cross-sectional view along AA in FIG. 4A, FIG. 4C is a schematic cross-sectional view along BB in FIG. 4A, and FIG. -C is a schematic cross-sectional view. It is a principal part schematic perspective view in another example of the electric power generation device of Embodiment 2. FIG.
（実施形態１）
以下では、本実施形態の発電デバイス１について図１Ａ～１Ｄに基づいて説明する。 (Embodiment 1)
Hereinafter, thepower generation device 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1A to 1D.
以下では、本実施形態の発電デバイス１について図１Ａ～１Ｄに基づいて説明する。 (Embodiment 1)
Hereinafter, the
発電デバイス１は、支持部１１と、支持部１１に支持された梁部１２と、梁部１２に設けられた圧電変換部１４とを備えている。圧電変換部１４は、梁部１２の振動により生じる応力を交流電圧に変換するように構成される。要するに、圧電変換部１４は、梁部１２の振動に応じて交流電圧を発生するように構成される。
The power generation device 1 includes a support part 11, a beam part 12 supported by the support part 11, and a piezoelectric conversion part 14 provided on the beam part 12. The piezoelectric conversion unit 14 is configured to convert the stress generated by the vibration of the beam unit 12 into an AC voltage. In short, the piezoelectric conversion unit 14 is configured to generate an alternating voltage according to the vibration of the beam unit 12.
本実施形態では、発電デバイス１は、枠状の支持部１１と、可撓部１８とを含む。支持部１１は、第１方向Ｄ１（図１Ｂ～１Ｄでは上下方向）において所定の厚みを有し、第１方向Ｄ１との直交方向である第２方向Ｄ２の第１側及び第２側（図１Ａでは左側及び右側）においてそれぞれ離隔される第１端部１１１と第２端部１１２とを有する形状になっている。図１Ａの例では、支持部１１は、第２方向Ｄ２に伸びる矩形状になっている。また、支持部１１は、第１方向Ｄ１の第１側及び第２側（図１Ｂ～１Ｄでは上側及び下側）にそれぞれ第１面１１Ａ及び第２面１１Ｂを有している。可撓部１８は、第１方向Ｄ１において支持部１１の厚みよりも薄い厚みを有し、支持部１１の第１端部１１１から第２端部１１２に突出する形状になっている。図１Ａの例では、可撓部１８は、第２端部１１２の近傍まで伸びる矩形状になっている。また、可撓部１８は、第１方向Ｄ１の第１側及び第２側にそれぞれ第１面１８Ａ及び第２面１８Ｂを有し、第２方向の第１側及び第２側にそれぞれ被支持端１８１及び自由端１８２を有している。可撓部１８の被支持端１８１は、可撓部１８の第１面１８Ａが支持部１１の第１端部１１１の第１面１１Ａと面一となり可撓部１８が支持部１１の開口内に配置されて支持部１１と可撓部１８との間にＵ字状のスリット１０ｄを形成するように、支持部１１の第１端部１１１に一体に支持されている。このように、スリット１０ｄが支持部１１内に形成されることで、可撓部１８は、第２方向Ｄ２に伸びる２つの側面１８ａ，１８ａを持つ。また、可撓部１８の厚みは、支持部１１の厚みよりも薄いので、支持部１１の第１端部１１１は、第２方向Ｄ２の第２側（図１Ｂ及び１Ｃでは右側）に可撓部１８が存在しない端面１１ａを持つ。別例において、支持部１１及び可撓部１８の各々は、直角四辺形でもよい。
In the present embodiment, the power generation device 1 includes a frame-shaped support portion 11 and a flexible portion 18. The support portion 11 has a predetermined thickness in the first direction D1 (the vertical direction in FIGS. 1B to 1D), and the first side and the second side in the second direction D2 that are orthogonal to the first direction D1 (see FIG. 1A has a first end 111 and a second end 112 that are spaced apart on the left and right sides). In the example of FIG. 1A, the support part 11 has a rectangular shape extending in the second direction D2. Further, the support portion 11 has a first surface 11A and a second surface 11B on the first side and the second side (upper side and lower side in FIGS. 1B to 1D) in the first direction D1, respectively. The flexible portion 18 has a thickness that is thinner than the thickness of the support portion 11 in the first direction D1, and has a shape that protrudes from the first end portion 111 of the support portion 11 to the second end portion 112. In the example of FIG. 1A, the flexible portion 18 has a rectangular shape that extends to the vicinity of the second end portion 112. The flexible portion 18 has a first surface 18A and a second surface 18B on the first side and the second side in the first direction D1, respectively, and is supported on the first side and the second side in the second direction, respectively. It has an end 181 and a free end 182. The supported end 181 of the flexible portion 18 is such that the first surface 18A of the flexible portion 18 is flush with the first surface 11A of the first end portion 111 of the support portion 11, and the flexible portion 18 is within the opening of the support portion 11. The U-shaped slit 10d is formed between the support portion 11 and the flexible portion 18 so as to be integrally supported by the first end portion 111 of the support portion 11. As described above, the slit 10d is formed in the support portion 11, so that the flexible portion 18 has two side surfaces 18a and 18a extending in the second direction D2. Moreover, since the thickness of the flexible part 18 is thinner than the thickness of the support part 11, the 1st end part 111 of the support part 11 is flexible to the 2nd side (right side in FIG. 1B and 1C) of the 2nd direction D2. It has the end surface 11a in which the part 18 does not exist. In another example, each of the support part 11 and the flexible part 18 may be a right-angled quadrilateral.
また、発電デバイス１は、錘部１３を含む。図１Ｂの例では、錘部１３は、錘部１３と支持部１１の端面１１ａとの間に凹所１１０を形成するように、可撓部１８の第２面１８Ｂに形成されている。詳しくは、錘部１３は、第１方向Ｄ１の第１側及び第２側にそれぞれ第１面１３Ａ及び第２面１３Ｂを有し、第１面１３Ａが可撓部１８の第２面１８Ｂに接合されている。
Further, the power generation device 1 includes a weight portion 13. In the example of FIG. 1B, the weight portion 13 is formed on the second surface 18 </ b> B of the flexible portion 18 so as to form a recess 110 between the weight portion 13 and the end surface 11 a of the support portion 11. Specifically, the weight portion 13 has a first surface 13A and a second surface 13B on the first side and the second side in the first direction D1, respectively, and the first surface 13A is a second surface 18B of the flexible portion 18. It is joined.
換言すると、可撓部１８が梁部１２であるとすれば、梁部１２の先端に錘部１３が設けられる。つまり、梁部１２は、凹所１１０に対して第１方向Ｄ１の第１側に設けられ、錘部１３は、梁部１２を介して支持部１１の第１端部１１１に支持される。発電デバイス１は、梁部１２の変位量を大きくするために錘部１３を設けてあるが、錘部１３はオプションである（必須ではない）。要するに、凹所１１０に対して第１方向Ｄ１の第１側に設けられた梁部１２は、本発明の可撓部に対応する。また、錘部１３と支持部１１の端面１１ａとの間に凹所１１０を形成するように、可撓部１８の第２面１８Ｂに錘部１３を形成することができる可撓部１８は、本発明の可撓部に対応する。
In other words, if the flexible portion 18 is the beam portion 12, the weight portion 13 is provided at the tip of the beam portion 12. That is, the beam portion 12 is provided on the first side in the first direction D1 with respect to the recess 110, and the weight portion 13 is supported by the first end portion 111 of the support portion 11 via the beam portion 12. Although the power generation device 1 is provided with the weight portion 13 in order to increase the displacement amount of the beam portion 12, the weight portion 13 is optional (not essential). In short, the beam portion 12 provided on the first side in the first direction D1 with respect to the recess 110 corresponds to the flexible portion of the present invention. In addition, the flexible portion 18 that can form the weight portion 13 on the second surface 18B of the flexible portion 18 so as to form the recess 110 between the weight portion 13 and the end surface 11a of the support portion 11, This corresponds to the flexible portion of the present invention.
可撓部１８の２つの側面１８ａ，１８ａは、支持部１１の端面１１ａよりも第２方向Ｄ２の第１側（図１Ｃにおける左側、図１Ｄにおける右側）に延長されている。換言すると、梁部１２の２つの側面１２ａ，１２ａは、梁部１２の２つの側面１２ａ，１２ａと梁部１２側の支持部１１（第１端部１１１）の端面１１ａとの間の２つの交点Ｐ，Ｐ（図１Ｃ及び１Ｄ参照）から、端面（１１ａ）側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側（第２方向Ｄ２の第１側）に延長されている。
The two side surfaces 18a, 18a of the flexible portion 18 are extended to the first side in the second direction D2 (left side in FIG. 1C, right side in FIG. 1D) from the end surface 11a of the support portion 11. In other words, the two side surfaces 12a and 12a of the beam portion 12 are formed between the two side surfaces 12a and 12a of the beam portion 12 and the end surface 11a of the support portion 11 (first end portion 111) on the beam portion 12 side. Extending from the intersections P and P (see FIGS. 1C and 1D) to the opposite side (first side in the second direction D2) of the support part 11 (first end part 111) when viewed from the end face (11a) side.
次に、発電デバイス１の各構成要素について詳細に説明する。
Next, each component of the power generation device 1 will be described in detail.
発電デバイス１は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造される。
The power generation device 1 is manufactured using a manufacturing technology of MEMS (micro electro mechanical systems).
発電デバイス１では、支持部１１と可撓部１８（梁部１２）と錘部１３とが、基板１０から形成される。可撓部１８は、基板１０の一表面（第１面）側に形成されている。つまり、支持部１１の第１面１１Ａ及び可撓部１８の第１面１８Ａが基板１０の第１面に対応し、支持部１１の第２面１１Ｂ及び錘部１３の第２面１３Ｂが基板１０の第２面に対応する。また圧電変換部１４が基板１０に形成され、これらはともにモノリシック構造を構成している。また、発電デバイス１は、支持部１１と梁部１２（可撓部１８）と錘部１３とで、梁部形成基板（可撓部形成基板）２０を構成している。
In the power generation device 1, the support portion 11, the flexible portion 18 (the beam portion 12), and the weight portion 13 are formed from the substrate 10. The flexible portion 18 is formed on the one surface (first surface) side of the substrate 10. That is, the first surface 11A of the support portion 11 and the first surface 18A of the flexible portion 18 correspond to the first surface of the substrate 10, and the second surface 11B of the support portion 11 and the second surface 13B of the weight portion 13 are the substrate. 10 corresponding to the second surface. In addition, the piezoelectric conversion portion 14 is formed on the substrate 10, and both form a monolithic structure. In the power generation device 1, the support portion 11, the beam portion 12 (flexible portion 18), and the weight portion 13 constitute a beam portion forming substrate (flexible portion forming substrate) 20.
基板１０としては、シリコン基板１０ａと、シリコン基板１０ａ上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０ｂと、埋込酸化膜１０ｂ上のシリコン層１０ｃとを含むＳＯＩ基板を用いている。基板１０の第１面は、（１００）面としてあるが、これに限らず、例えば、（１１０）面でもよい。
As the substrate 10, an SOI substrate including a silicon substrate 10a, a buried oxide film 10b made of a silicon oxide film on the silicon substrate 10a, and a silicon layer 10c on the buried oxide film 10b is used. The first surface of the substrate 10 is a (100) surface, but is not limited thereto, and may be a (110) surface, for example.
支持部１１は、少なくとも、ＳＯＩ基板のうちシリコン基板１０ａと埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されている。これに対して、可撓部１８（梁部１２）は、少なくとも、ＳＯＩ基板のうちシリコン層１０ｃで形成されており、支持部１１に比べて薄肉であり、可撓性を有している。この可撓部１８（梁部１２）は、弾性を有しており、振動可能となっている。要するに、可撓部１８（梁部１２）は、支持部１１に揺動自在に支持されている。なお、可撓部１８（梁部１２）は、ＳＯＩ基板のうち埋込酸化膜１０ｂとシリコン層１０ｃとから形成されていてもよい。
The support portion 11 is formed of at least a silicon substrate 10a, a buried oxide film 10b, and a silicon layer 10c among SOI substrates. On the other hand, the flexible portion 18 (beam portion 12) is formed of at least the silicon layer 10c of the SOI substrate, is thinner than the support portion 11, and has flexibility. The flexible portion 18 (beam portion 12) has elasticity and can vibrate. In short, the flexible portion 18 (the beam portion 12) is swingably supported by the support portion 11. The flexible portion 18 (beam portion 12) may be formed of the buried oxide film 10b and the silicon layer 10c in the SOI substrate.
発電デバイス１では、基板１０と圧電変換部１４とが、基板１０の第１表面側に形成された第１の絶縁膜１９ａによって、電気的に絶縁されている。第１の絶縁膜１９ａは、シリコン酸化膜により構成されているが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。なお、基板１０の他表面（第２面）側に、第２の絶縁膜が形成されていてもよい。第２の絶縁膜は、シリコン酸化膜により構成すればよいが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。
In the power generation device 1, the substrate 10 and the piezoelectric conversion unit 14 are electrically insulated by the first insulating film 19a formed on the first surface side of the substrate 10. The first insulating film 19a is formed of a silicon oxide film, but is not limited thereto, and may be formed of, for example, a silicon nitride film or a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. May be. A second insulating film may be formed on the other surface (second surface) side of the substrate 10. The second insulating film may be formed of a silicon oxide film, but is not limited thereto, and may be formed of, for example, a silicon nitride film or a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. Also good.
上述の基板１０には、ＳＯＩ基板に限らず、単結晶のシリコン基板や多結晶のシリコン基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いることも可能である。基板１０として、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板などの絶縁性基板を用いる場合、第１の絶縁膜１９ａ及び第２の絶縁膜は必ずしも設ける必要はない。換言すると、オプションとしての第１の絶縁膜１９ａ及び第２の絶縁膜がそれぞれ基板１０の第１面及び第２面側に形成され維持される場合、第１の絶縁膜１９ａの表面が支持部１１の第１面１１Ａ及び可撓部１８の第１面１８Ａとなり、第２の絶縁膜の表面が支持部１１の第２面１１Ｂ及び錘部１３の第２面１３Ｂとなる。
The substrate 10 is not limited to an SOI substrate, and may be a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, a magnesium oxide (MgO) substrate, a metal substrate, a glass substrate, a polymer substrate, or the like. When an insulating substrate such as an MgO substrate, a glass substrate, or a polymer substrate is used as the substrate 10, the first insulating film 19a and the second insulating film are not necessarily provided. In other words, when the optional first insulating film 19a and the second insulating film are formed and maintained on the first surface and the second surface side of the substrate 10, respectively, the surface of the first insulating film 19a is the support portion. 11 is the first surface 11A and the first surface 18A of the flexible portion 18, and the surface of the second insulating film is the second surface 11B of the support portion 11 and the second surface 13B of the weight portion 13.
支持部１１には、枠状の形状を採用してもよく、より望ましくは、矩形枠状の形状を採用することができる。これにより、発電デバイス１の製造にあたり、支持部１１、可撓部１８（梁部１２）及び錘部１３の基礎となるウェハ（ここでは、ＳＯＩウェハ）を準備し、このウェハから多数の発電デバイス１を形成する前工程を行い、後工程において個々の発電デバイス１に分離するような製造方法を採用する場合に、ダイシング工程の作業性を向上させることが可能となる。
The support portion 11 may adopt a frame shape, and more preferably a rectangular frame shape. Thus, in manufacturing the power generation device 1, a wafer (here, an SOI wafer) serving as a basis of the support portion 11, the flexible portion 18 (beam portion 12), and the weight portion 13 is prepared, and a large number of power generation devices are prepared from this wafer. In the case of adopting a manufacturing method in which the pre-process for forming 1 is performed and the individual power generation devices 1 are separated in the post-process, the workability of the dicing process can be improved.
また、支持部１１は、ダイシング工程の作業性を向上させる観点から、外周形状が矩形状であることが好ましい。ただし、ダイシング工程は、ダイシングソーを利用する場合に限らず、例えば、レーザを利用するようにしてもよい。この場合、支持部１１の外周形状は、矩形状以外の形状でもよい。支持部１１は、内周形状が矩形状となっている。支持部１１の内周形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状や円形状、楕円形状などの形状でもよい。
Moreover, it is preferable that the outer peripheral shape of the support part 11 is a rectangular shape from a viewpoint of improving the workability | operativity of a dicing process. However, the dicing process is not limited to using a dicing saw, and for example, a laser may be used. In this case, the outer peripheral shape of the support portion 11 may be a shape other than a rectangular shape. The support portion 11 has a rectangular inner peripheral shape. The inner peripheral shape of the support portion 11 is not limited to a rectangular shape, and may be a polygonal shape other than the rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, or the like.
発電デバイス１では、梁部１２（可撓部１８）が、平面視において支持部１１の内側に配置されている。発電デバイス１は、基板１０に、梁部１２（可撓部１８）及び錘部１３を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄを形成することによって、梁部１２（可撓部１８）と錘部１３とからなる可動部における支持部１１との連結部位以外の部分が、支持部１１と空間的に分離される。なお、図１Ａでは、上記可動部は、平面視形状が長方形状に形成されている。
In the power generation device 1, the beam portion 12 (flexible portion 18) is disposed inside the support portion 11 in a plan view. In the power generation device 1, the beam portion 12 (flexible portion 18) and the weight portion are formed on the substrate 10 by forming a slit 10 d having a U-shape in plan view surrounding the beam portion 12 (flexible portion 18) and the weight portion 13. The part other than the connection part with the support part 11 in the movable part consisting of 13 is spatially separated from the support part 11. In FIG. 1A, the movable portion is formed in a rectangular shape in plan view.
圧電変換部１４は、主として梁部１２における厚み方向（Ｄ１）の第１側の面（基板１０の第１面側）に形成されている。圧電変換部１４は、梁部１２側から順に、第１電極（下部電極）１４ａ、圧電体層１４ｂ及び第２電極（上部電極）１４ｃを有している。要するに、圧電変換部１４は、圧電体層１４ｂと、この圧電体層１４ｂを厚み方向（Ｄ１）の両側から挟んで互いに対向する第１電極１４ａ及び第２電極１４ｃを備えている。図１Ｂの例では、圧電変換部１４は、梁部１２の第１面１８Ａ（第１の絶縁膜１９ａの表面）を含む搭載領域に形成される第１電極１４ａと、第１電極１４ａの表面（第１方向Ｄ１の第１側の表面）に形成される圧電体層１４ｂと、圧電体層１４ｂの表面（第１方向Ｄ１の第１側の表面）に形成される第２電極１４ｃとを含む。
The piezoelectric conversion portion 14 is mainly formed on the first side surface (the first surface side of the substrate 10) of the beam portion 12 in the thickness direction (D1). The piezoelectric conversion unit 14 includes a first electrode (lower electrode) 14a, a piezoelectric layer 14b, and a second electrode (upper electrode) 14c in order from the beam 12 side. In short, the piezoelectric conversion unit 14 includes a piezoelectric layer 14b and a first electrode 14a and a second electrode 14c facing each other with the piezoelectric layer 14b sandwiched from both sides in the thickness direction (D1). In the example of FIG. 1B, the piezoelectric conversion unit 14 includes a first electrode 14a formed in a mounting region including the first surface 18A (the surface of the first insulating film 19a) of the beam unit 12, and the surface of the first electrode 14a. The piezoelectric layer 14b formed on the (first-side surface in the first direction D1) and the second electrode 14c formed on the surface of the piezoelectric layer 14b (the first-side surface in the first direction D1). Including.
したがって、発電デバイス１では、圧電変換部１４の圧電体層１４ｂが梁部１２（可撓部１８）の振動によって応力を受け、第２電極１４ｃと第１電極１４ａとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部１４において交流電圧が発生する。要するに、発電デバイス１は、圧電変換部１４が圧電材料の圧電効果を利用して発電する振動型の発電素子である。
Therefore, in the power generation device 1, the piezoelectric layer 14b of the piezoelectric conversion unit 14 receives stress due to the vibration of the beam portion 12 (flexible portion 18), and a bias of electric charge occurs between the second electrode 14c and the first electrode 14a. An AC voltage is generated in the piezoelectric conversion unit 14. In short, the power generation device 1 is a vibration-type power generation element in which the piezoelectric conversion unit 14 generates power using the piezoelectric effect of the piezoelectric material.
図１Ａ及び１Ｂでは、第１電極１４ａの平面形状は、矩形状としてある。第１電極１４ａは、第１電極１４ａの長手方向が第２方向Ｄ２との直交方向である第３方向Ｄ３と平行になるように、凹所１１０側から見て梁部１２の反対側の面（第１面１８Ａ）を含む搭載領域に形成されている。搭載領域は、梁部１２と、梁部１２側の支持部１１の一部と、梁部１２側の錘部１３の一部（可撓部１８の一部）とを含む。詳しくは、第１電極１４ａの長手方向の寸法は、梁部１２の幅寸法（図１ＡにおけるＤ３の寸法）よりもやや小さい。また、第１電極１４ａの短手方向（第２方向Ｄ２）の寸法は、梁部１２の長さ寸法（第２方向Ｄ２の寸法）よりも大きく設定されている。このため、第１電極１４ａは、梁部形成基板２０の第１面側において支持部１１と梁部１２と錘部１３（錘部１３が形成された可撓部１８の部分）とに跨って形成されている。
1A and 1B, the planar shape of the first electrode 14a is rectangular. The first electrode 14a is a surface on the opposite side of the beam portion 12 when viewed from the recess 110 side so that the longitudinal direction of the first electrode 14a is parallel to the third direction D3 which is a direction orthogonal to the second direction D2. It is formed in a mounting region including (first surface 18A). The mounting region includes the beam portion 12, a portion of the support portion 11 on the beam portion 12 side, and a portion of the weight portion 13 on the beam portion 12 side (a portion of the flexible portion 18). Specifically, the longitudinal dimension of the first electrode 14a is slightly smaller than the width dimension of the beam portion 12 (dimension D3 in FIG. 1A). The dimension of the first electrode 14a in the short direction (second direction D2) is set larger than the length dimension of the beam portion 12 (dimension in the second direction D2). Therefore, the first electrode 14a extends over the support portion 11, the beam portion 12, and the weight portion 13 (the portion of the flexible portion 18 on which the weight portion 13 is formed) on the first surface side of the beam portion forming substrate 20. Is formed.
圧電体層１４ｂの平面形状は、第１電極１４ａよりもやや小さな矩形状としてある。ここで、圧電体層１４ｂの長手方向（Ｄ３）の寸法及び短手方向（Ｄ２）の寸法は、第１電極１４ａの長手方向（Ｄ３）の寸法及び短手方向（Ｄ２）の寸法よりもそれぞれ小さく設定されている。
The planar shape of the piezoelectric layer 14b is a rectangular shape slightly smaller than the first electrode 14a. Here, the dimension in the longitudinal direction (D3) and the dimension in the short direction (D2) of the piezoelectric layer 14b are respectively larger than the dimension in the longitudinal direction (D3) and the dimension in the short direction (D2) of the first electrode 14a. It is set small.
第２電極１４ｃの平面形状は、圧電体層１４ｂよりも小さな矩形状としてある。ここで、第２電極１４ｃの長手方向（Ｄ３）の寸法及び短手方向（Ｄ２）の寸法は、圧電体層１４ｂの長手方向（Ｄ３）の寸法及び短手方向（Ｄ２）の寸法よりもそれぞれ小さく設定されている。
The planar shape of the second electrode 14c is a rectangular shape smaller than the piezoelectric layer 14b. Here, the dimension in the longitudinal direction (D3) and the dimension in the short direction (D2) of the second electrode 14c are larger than the dimension in the longitudinal direction (D3) and the dimension in the short direction (D2) of the piezoelectric layer 14b, respectively. It is set small.
上述の説明から分かるように、圧電体層１４ｂの平面サイズは、第１電極１４ａの平面サイズよりも小さく且つ第２電極１４ｃの平面サイズよりも大きくなっている。
As can be seen from the above description, the planar size of the piezoelectric layer 14b is smaller than the planar size of the first electrode 14a and larger than the planar size of the second electrode 14c.
発電デバイス１は、支持部１１と梁部１２とを結ぶ方向において、第１電極１４ａと圧電体層１４ｂと第２電極１４ｃとが直接重なっている圧電変換領域の支持部１１側の端を、支持部１１と梁部１２との境界に揃えてある。これにより、発電デバイス１は、上記圧電変換領域の支持部１１側の端が上記境界よりも梁部１２側にある場合に比べて、梁部１２が振動しているときに応力が高くなる部分に存在する上記圧電変換領域の面積を大きくでき、発電効率を向上させることが可能となる。
In the power generation device 1, in the direction connecting the support portion 11 and the beam portion 12, the end on the support portion 11 side of the piezoelectric conversion region in which the first electrode 14 a, the piezoelectric layer 14 b, and the second electrode 14 c are directly overlapped, The boundary between the support portion 11 and the beam portion 12 is aligned. As a result, the power generation device 1 has a portion where stress is higher when the beam portion 12 is oscillating than when the end of the piezoelectric conversion region on the support portion 11 side is closer to the beam portion 12 side than the boundary. It is possible to increase the area of the piezoelectric conversion region existing in the substrate and improve the power generation efficiency.
圧電変換部１４で発生する交流電圧は、圧電体層１４ｂの振動に応じた正弦波状の交流電圧となる。発電デバイス１の共振周波数は、可動部と圧電変換部１４とからなる可動ブロックの構造パラメータ及び材料により決まる。
The AC voltage generated in the piezoelectric converter 14 is a sinusoidal AC voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric layer 14b. The resonance frequency of the power generation device 1 is determined by the structural parameters and material of the movable block composed of the movable part and the piezoelectric conversion part 14.
発電デバイス１は、第１電極１４ａに第１配線部１６ａを介して電気的に接続された第１パッド１７ａと、第２電極１４ｃに第２配線部１６ｃを介して電気的に接続された第２パッド１７ｃとが、支持部１１に設けられている。第１配線部１６ａ、第２配線部１６ｃ、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。また、第１配線部１６ａ、第２配線部１６ｃ、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃの材料は、同じ材料に限らず、別々の材料を採用してもよい。また、第１配線部１６ａ、第２配線部１６ｃ、第１パッド１７ａ及び第２パッド１７ｃは、単層構造に限らず、２層以上の多層構造でもよい。
The power generation device 1 includes a first pad 17a electrically connected to the first electrode 14a via the first wiring portion 16a, and a first pad 17a electrically connected to the second electrode 14c via the second wiring portion 16c. Two pads 17 c are provided on the support portion 11. The material of the first wiring part 16a, the second wiring part 16c, the first pad 17a and the second pad 17c is Au, but is not limited to this. For example, Mo, Al, Pt, Ir, etc. Good. The materials of the first wiring portion 16a, the second wiring portion 16c, the first pad 17a, and the second pad 17c are not limited to the same material, and different materials may be employed. The first wiring portion 16a, the second wiring portion 16c, the first pad 17a, and the second pad 17c are not limited to a single layer structure, and may be a multilayer structure having two or more layers.
また、発電デバイス１は、第２配線部１６ｃと第１電極１４ａとの短絡を防止する絶縁層１５を設けてある。この絶縁層１５は、第１電極１４ａ及び圧電体層１４ｂそれぞれの周部を覆う形で形成されている。要するに、絶縁層１５の平面視形状は、第２電極１４ｃの周部に沿った枠状（矩形枠状）となっている。ここで、絶縁層１５は、第２電極１４ｃと圧電体層１４ｂとの接するエリアを規定するようにパターン設計してある。これにより、発電デバイス１は、絶縁層１５が、上記圧電変換領域を規定する機能を有している。絶縁層１５は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
Moreover, the power generation device 1 is provided with an insulating layer 15 that prevents a short circuit between the second wiring portion 16c and the first electrode 14a. The insulating layer 15 is formed so as to cover the peripheral portions of the first electrode 14a and the piezoelectric layer 14b. In short, the planar view shape of the insulating layer 15 is a frame shape (rectangular frame shape) along the peripheral portion of the second electrode 14c. Here, the pattern of the insulating layer 15 is designed so as to define an area where the second electrode 14c and the piezoelectric layer 14b are in contact with each other. Thus, in the power generation device 1, the insulating layer 15 has a function of defining the piezoelectric conversion region. The insulating layer 15 is composed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be composed of, for example, a silicon nitride film.
圧電体層１４ｂの圧電材料としては、鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ－ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。発電デバイス１は、圧電体層１４ｂの比誘電率をε、発電指数をＰとすると、Ｐ∝ｅ31
2／εの関係が成り立つ。発電デバイス１は、発電指数Ｐが大きいほど発電効率が大きくなる。このため、発電デバイス１は、代表的な圧電材料であるＰＺＴ及びＡｌＮそれぞれの圧電定数ｅ31、比誘電率の一般的な値からみて、発電指数Ｐに２乗できく圧電定数ｅ31が大きなＰＺＴを採用した方が発電指数Ｐを大きくできる。ただし、圧電体層１４ｂの圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。なお、本実施形態の発電デバイス１では、圧電体層１４ｂが、圧電薄膜により構成されている。
As the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), which is a kind of lead-based piezoelectric material, is used, but is not limited thereto, and for example, PZT-PMN (Pb (Mn , Nb) O 3 ) and other impurities may be added to PZT. In the power generation device 1, when the relative dielectric constant of the piezoelectric layer 14b is ε and the power generation index is P, the relationship P∝e 31 2 / ε is established. The power generation efficiency of the power generation device 1 increases as the power generation index P increases. For this reason, the power generation device 1 has a large piezoelectric constant e 31 that can square the power generation index P in terms of the piezoelectric constants e 31 and typical values of relative dielectric constants of typical piezoelectric materials PZT and AlN. The power generation index P can be increased by adopting PZT. However, the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b is not limited to lead-based piezoelectric material, for example, AlN, ZnO, KNN (K 0.5 Na 0.5 NbO 3) and, KN (KNbO 3), NN (NaNbO 3), the KNN What added the impurity (for example, Li, Nb, Ta, Sb, Cu, etc.) etc. may be used. In the power generation device 1 of the present embodiment, the piezoelectric layer 14b is configured by a piezoelectric thin film.
第１電極１４ａの材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｌ－Ｓｉ、Ｉｒなどを採用することができる。また、第１電極１４ａは、単層構造に限らず、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｌ－Ｓｉ、Ｉｒなどからなる第１金属層と、この第１金属層と第１の絶縁膜１９ａの間に介在する第１密着層とを備えた多層構造でもよい。第１密着層の材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどを採用することができる。
As the material of the first electrode 14a, for example, Pt, Au, Al, Al—Si, Ir, or the like can be adopted. The first electrode 14a is not limited to a single layer structure, and includes, for example, a first metal layer made of Pt, Au, Al, Al—Si, Ir, and the like, and the first metal layer and the first insulating film 19a. A multilayer structure including a first adhesion layer interposed therebetween may be used. As the material of the first adhesion layer, for example, Ti, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN or the like can be adopted.
第２電極１４ｃの材料としては、例えば、Ａｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどを採用することができる。また、第２電極１４ｃは、単層構造に限らず、例えば、Ａｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどからなる第２金属層と、この第２金属層と圧電体層１４ｂの間に介在する第２密着層とを備えた多層構造でもよい。第２密着層の材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどを採用することができる。
As the material of the second electrode 14c, for example, Au, Mo, Al, Pt, Ir, or the like can be employed. The second electrode 14c is not limited to a single layer structure, and is interposed between, for example, a second metal layer made of Au, Mo, Al, Pt, Ir, and the like, and the second metal layer and the piezoelectric layer 14b. A multilayer structure including the second adhesion layer may be used. As the material of the second adhesion layer, for example, Ti, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN or the like can be employed.
発電デバイス１は、第１電極１４ａの厚みを１００ｎｍ、圧電体層１４ｂの厚みを３０００ｎｍ、第２電極１４ｃの厚みを４００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
In the power generation device 1, the thickness of the first electrode 14 a is set to 100 nm, the thickness of the piezoelectric layer 14 b is set to 3000 nm, and the thickness of the second electrode 14 c is set to 400 nm. is not.
発電デバイス１は、基板１０と第１電極１４ａとの間に緩衝層を設けた構造でもよい。緩衝層の材料は、圧電体層１４ｂの圧電材料に応じて適宜選択すればよく、圧電体層１４ｂの圧電材料がＰＺＴの場合には、例えば、ＳｒＲｕＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ3などを採用することが好ましい。また、緩衝層は、例えば、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してもよい。なお、緩衝層を設けることにより、圧電体層１４ｂの結晶性を向上させることが可能となる。
The power generation device 1 may have a structure in which a buffer layer is provided between the substrate 10 and the first electrode 14a. The material of the buffer layer may be appropriately selected according to the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b. When the piezoelectric material of the piezoelectric layer 14b is PZT, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 is used . 3 , MgO, LaNiO 3 or the like is preferably used. Further, the buffer layer may be constituted by a laminated film of a Pt film and a SrRuO 3 film, for example. By providing the buffer layer, the crystallinity of the piezoelectric layer 14b can be improved.
また、発電デバイス１は、例えば、圧電変換部１４における梁部１２の幅方向（図１Ａの上下方向Ｄ３）に沿った方向の幅寸法を小さくして、１つの梁部１２の第１面（１８Ａ）側において複数の圧電変換部１４を上記幅方向に並設してもよい。この場合、発電デバイス１は、これら複数の圧電変換部１４の直列回路の一端、他端を第１パッド１６ａ、第２パッド１６ｃそれぞれに電気的に接続することが好ましい。
Moreover, the power generation device 1 reduces the width dimension of the direction along the width direction (up-down direction D3 of FIG. 1A) of the beam part 12 in the piezoelectric conversion part 14, for example, and reduces the 1st surface ( On the 18A) side, a plurality of piezoelectric transducers 14 may be arranged in parallel in the width direction. In this case, the power generation device 1 preferably electrically connects one end and the other end of the series circuit of the plurality of piezoelectric conversion units 14 to the first pad 16a and the second pad 16c, respectively.
上記発電デバイス１では、梁部１２（可撓部１８）の２つの側面（１８ａ，１８ａ）が、それぞれ、梁部１２の２つの側面（１８ａ，１８ａ）と梁部１２側の支持部１１の端面１１ａとの間の２つの交点Ｐ，Ｐから、端面（１１ａ）側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側に延長されている。ここで、発電デバイス１は、梁部形成基板２０の第１面に、端面１１ａ側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側に延長された梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）の部位を露出させる２つの凹部２０ａ，２０ａが形成されている。凹部２０ａ，２０ａは、スリット１０ｄに連通するように、スリット１０ｄ側が開放されている。また、凹部２０ａ，２０ａは、埋込酸化膜１０ｂに達する深さに形成されている。
In the power generation device 1, the two side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 (flexible portion 18) are respectively connected to the two side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 and the support portion 11 on the beam portion 12 side. From two intersections P and P between the end surface 11a and the end surface (11a) side, the support portion 11 (first end portion 111) is extended to the opposite side. Here, the power generation device 1 is formed on the first surface of the beam portion forming substrate 20 on the side surface (18a, 18a, 18b) of the beam portion 12 extended to the opposite side of the support portion 11 (first end portion 111) when viewed from the end surface 11a side. Two recesses 20a and 20a are formed to expose the portion 18a). The recesses 20a and 20a are open on the slit 10d side so as to communicate with the slit 10d. The recesses 20a and 20a are formed to a depth reaching the buried oxide film 10b.
換言すると、支持部１１は、第１端部１１１の第１面１１Ａに形成された２つの凹部２０ａ，２０ａを含み、これらは、Ｕ字状のスリット１０ｄの両端部にそれぞれ連通し、スリット１０ｄの両端部に位置する梁部１２（可撓部１８）の側面（１８ａ，１８ａ）とそれぞれ面一となる２つの内面２０１，２０１を含む。２つの内面２０１，２０１が、梁部１２（可撓部１８）から延長された側面（１８ａ，１８ａ）に対応する。詳しくは、第３方向Ｄ３の第１側（図１Ａでは上側）の凹部２０ａは、第３方向Ｄ３の第１側に位置するスリット１０ｄの端部に連通し、そのスリット１０ｄの端部に位置する梁部１２（可撓部１８）の側面（１８ａ）と面一となる内面２０１を含む。他方、第３方向Ｄ３の第２側（図１Ａでは下側）の凹部２０ａは、第３方向Ｄ３の第２側に位置するスリット１０ｄの端部に連通し、そのスリット１０ｄの端部に位置する梁部１２（可撓部１８）の側面（１８ａ）と面一となる内面２０１を含む。
In other words, the support portion 11 includes two concave portions 20a and 20a formed on the first surface 11A of the first end portion 111, which communicate with both end portions of the U-shaped slit 10d, respectively. 2 includes two inner surfaces 201 and 201 that are flush with the side surfaces (18a and 18a) of the beam portion 12 (flexible portion 18) located at both ends of the beam. The two inner surfaces 201, 201 correspond to side surfaces (18a, 18a) extended from the beam portion 12 (flexible portion 18). Specifically, the recess 20a on the first side (upper side in FIG. 1A) in the third direction D3 communicates with the end of the slit 10d located on the first side in the third direction D3, and is positioned at the end of the slit 10d. And an inner surface 201 that is flush with the side surface (18a) of the beam portion 12 (flexible portion 18). On the other hand, the recess 20a on the second side (lower side in FIG. 1A) in the third direction D3 communicates with the end of the slit 10d located on the second side in the third direction D3, and is located at the end of the slit 10d. And an inner surface 201 that is flush with the side surface (18a) of the beam portion 12 (flexible portion 18).
以下、発電デバイス１に製造方法について図２を参照しながら説明する。図２Ａ～２Ｇは図１ＡのＤ－Ｄ断面に対応する部位を示している。
Hereinafter, a manufacturing method for the power generation device 1 will be described with reference to FIG. 2A to 2G show a portion corresponding to the DD cross section of FIG. 1A.
発電デバイス１の製造にあたっては、まず、ＳＯＩ基板からなる基板１０を準備し、その後、絶縁膜形成工程を行うことによって、図２Ａに示す構造を得る。絶縁膜形成工程では、熱酸化法などを利用して、基板１０の第１面側、第２面側それぞれに、シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１９ａ、第２の絶縁膜を形成する。絶縁膜形成工程では、第１の絶縁膜１９ａ、第２の絶縁膜を形成する方法として熱酸化法を採用しているが、これに限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを採用してもよい。
In manufacturing the power generation device 1, first, a substrate 10 made of an SOI substrate is prepared, and then an insulating film forming step is performed to obtain the structure shown in FIG. 2A. In the insulating film forming step, the first insulating film 19a and the second insulating film made of a silicon oxide film are formed on the first surface side and the second surface side of the substrate 10 by using a thermal oxidation method or the like. . In the insulating film forming step, a thermal oxidation method is adopted as a method of forming the first insulating film 19a and the second insulating film, but not limited to this, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like is adopted. Also good.
上述の絶縁膜形成工程の後には、基板１０の第１面側の全面に、第１電極１４ａ、第１配線部１６ａ及び第１パッド１７ａの基礎となる第１導電層１４０ａを形成する第１導電層形成工程を行う。この第１導電層形成工程の後には、圧電体層１４ｂの基礎となる圧電材料層（例えば、ＰＺＴ層など）１４０ｂを形成する圧電材料層形成工程を行うことによって、図２Ｂに示す構造を得る。第１導電層１４０ａとしては、Ａｕ層を形成しているが、これに限らず、例えば、Ａｌ層やＡｌ－Ｓｉ層でもよいし、Ａｕ層と、このＡｕ層と第１の絶縁膜１９ａの間に介在する第１密着層（例えば、Ｔｉ層など）とで構成してもよい。第１密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。第１導電層形成工程において第１導電層１４０ａを形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法などを採用してもよい。また、圧電材料層形成工程において圧電材料層１４０ｂを形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを採用してもよい。
After the above-described insulating film formation step, the first conductive layer 140a that forms the basis of the first electrode 14a, the first wiring portion 16a, and the first pad 17a is formed on the entire first surface side of the substrate 10. Conductive layer forming step is performed. After the first conductive layer forming step, the structure shown in FIG. 2B is obtained by performing a piezoelectric material layer forming step for forming a piezoelectric material layer (for example, a PZT layer) 140b serving as the basis of the piezoelectric layer 14b. . As the first conductive layer 140a, an Au layer is formed. However, the present invention is not limited to this. For example, an Al layer or an Al—Si layer may be used. The Au layer, the Au layer, and the first insulating film 19a You may comprise with the 1st adhesion layer (for example, Ti layer etc.) interposed between. The material of the first adhesion layer is not limited to Ti, and may be, for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, or the like. As a method of forming the first conductive layer 140a in the first conductive layer forming step, the sputtering method is adopted, but not limited thereto, for example, a CVD method or a vapor deposition method may be adopted. Moreover, as a method of forming the piezoelectric material layer 140b in the piezoelectric material layer forming step, the sputtering method is adopted, but not limited thereto, for example, a CVD method or a sol-gel method may be adopted.
圧電材料層形成工程の後には、圧電材料層１４０ｂを圧電体層１４ｂの所定の形状にパターニングする圧電材料層パターニング工程を行うことによって、図２Ｃに示す構造を得る。圧電材料層パターニング工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して圧電材料層１４０ｂをパターニングする。
After the piezoelectric material layer forming step, the structure shown in FIG. 2C is obtained by performing a piezoelectric material layer patterning step of patterning the piezoelectric material layer 140b into a predetermined shape of the piezoelectric layer 14b. In the piezoelectric material layer patterning step, the piezoelectric material layer 140b is patterned using a lithography technique and an etching technique.
圧電材料層パターニング工程の後には、第１導電層１４０ａを第１電極１４ａ、第１配線部１６ａ及び第１パッド１７ａそれぞれの所定の形状にパターニングする第１導電層パターニング工程を行うことによって、図２Ｄに示す構造を得る。第１導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して第１導電層１４０ａをパターニングする。
After the piezoelectric material layer patterning step, the first conductive layer 140a is patterned into a predetermined shape for each of the first electrode 14a, the first wiring portion 16a, and the first pad 17a. The structure shown in 2D is obtained. In the first conductive layer patterning step, the first conductive layer 140a is patterned using a lithography technique and an etching technique.
なお、第１導電層パターニング工程では、第１導電層１４０ａをパターニングすることによって、第１電極１４ａと併せて第１配線部１６ａ及び第１パッド１７ａを形成しているが、これに限らない。例えば、第１導電層パターニング工程では、第１導電層１４０ａをパターニングすることで第１電極１４ａのみを形成するようにし、その後、第１配線部１６ａ及び第１パッド１７ａを形成する工程を別途に設けてもよいし、第１配線部１６ａを形成する第１配線部形成工程と第１パッド１７ａを形成する第１パッド形成工程とを別々に設けてもよい。また、第１導電層１４０ａのエッチングにあたっては、例えば、ＲＩＥ（Reactive ion etching）法やイオンミリング法などを採用することができる。
In the first conductive layer patterning step, the first wiring layer 16a and the first pad 17a are formed together with the first electrode 14a by patterning the first conductive layer 140a. However, the present invention is not limited to this. For example, in the first conductive layer patterning step, only the first electrode 14a is formed by patterning the first conductive layer 140a, and then the first wiring portion 16a and the first pad 17a are separately formed. The first wiring part forming step for forming the first wiring part 16a and the first pad forming process for forming the first pad 17a may be provided separately. In the etching of the first conductive layer 140a, for example, a reactive ion etching (RIE) method or an ion milling method can be employed.
上述の第１導電層パターニング工程などにより第１電極１４ａ、第１配線部１６ａ及び第１パッド１７ａを形成した後には、基板１０の第１面側に絶縁層１５を形成する絶縁層形成工程を行うことによって、図２Ｅに示す構造を得る。絶縁層形成工程では、基板１０の第１面側の全面に絶縁層１５をＣＶＤ法などにより成膜してから、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してパターニングしているが、リフトオフ法を利用して絶縁層１５を形成するようにしてもよい。
After forming the first electrode 14a, the first wiring portion 16a, and the first pad 17a by the first conductive layer patterning step described above, an insulating layer forming step for forming the insulating layer 15 on the first surface side of the substrate 10 is performed. By doing so, the structure shown in FIG. 2E is obtained. In the insulating layer forming step, the insulating layer 15 is formed on the entire first surface side of the substrate 10 by a CVD method and then patterned using a photolithography technique and an etching technique, but a lift-off method is used. Thus, the insulating layer 15 may be formed.
絶縁層形成工程の後には、第２電極１４ｃ、第２配線部１６ｃ及び第２パッド１７ｃの基礎となる第２導電層を基板１０の第１面側の全面に形成する第２導電層形成工程を行う。その後には、第２導電層を第２電極１４ｃ、第２配線部１６ｃ及び第２パッド１７ｃそれぞれの所定の形状にパターニングする第２導電層パターニング工程を行うことによって、図２Ｆに示す構造を得る。上述の第２導電層形成工程において第２導電層を形成する方法としては、ＥＢ（electron beam）蒸着法を採用しているが、これに限らず、例えば、スパッタ法やＣＶＤ法などを採用してもよい。また、第２導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して第２導電層をパターニングする。なお、第２導電層のエッチングは、ＲＩＥ法などのドライエッチングでもよいし、ウェットエッチングでもよい。例えば、第２導電層がＴｉ層とＡｕ層との積層構造を有している場合、ウェットエッチングを行う際には、例えば、Ａｕ層をヨウ化カリウム水溶液、Ｔｉ層を過酸化水素水によりウェットエッチングすればよい。
After the insulating layer forming step, a second conductive layer forming step for forming a second conductive layer serving as a basis for the second electrode 14c, the second wiring portion 16c, and the second pad 17c on the entire first surface side of the substrate 10. I do. Thereafter, a second conductive layer patterning step is performed to pattern the second conductive layer into predetermined shapes of the second electrode 14c, the second wiring portion 16c, and the second pad 17c, thereby obtaining the structure shown in FIG. 2F. . As a method for forming the second conductive layer in the above-described second conductive layer forming step, an EB (electron beam) vapor deposition method is employed, but is not limited thereto, and for example, a sputtering method or a CVD method is employed. May be. In the second conductive layer patterning step, the second conductive layer is patterned using a lithography technique and an etching technique. The etching of the second conductive layer may be dry etching such as RIE method or wet etching. For example, when the second conductive layer has a laminated structure of a Ti layer and an Au layer, when performing wet etching, for example, the Au layer is wet with a potassium iodide aqueous solution, and the Ti layer is wet with hydrogen peroxide water. What is necessary is just to etch.
本実施形態では、第２導電層形成工程と第２導電層パターニング工程とで、第２電極１４ｃと併せて第２配線部１６ｃ及び第２パッド１７ｃを形成しているが、これに限らない。例えば、第２導電層パターニング工程では、第２導電層をパターニングすることで第２電極１４ｃのみを形成するようにし、その後、第２配線部１６ｃ及び第２パッド１７ｃを形成する工程を別途に設けてもよいし、第２配線部１６ｃを形成する第２配線部形成工程と第２パッド１７ｃを形成する第２パッド形成工程とを別々に設けてもよい。
In the present embodiment, the second wiring layer 16c and the second pad 17c are formed together with the second electrode 14c in the second conductive layer forming step and the second conductive layer patterning step, but the present invention is not limited thereto. For example, in the second conductive layer patterning step, only the second electrode 14c is formed by patterning the second conductive layer, and then a step of forming the second wiring portion 16c and the second pad 17c is provided separately. Alternatively, the second wiring portion forming step for forming the second wiring portion 16c and the second pad forming step for forming the second pad 17c may be provided separately.
上述の第２導電層パターニング工程などにより第２電極１４ｃ、第２配線部１６ｃ及び第２パッド１７ｃを形成した後には、基板１０から支持部１１、梁部１２（可撓部１８）及び錘部１３を形成する基板加工工程を行うことによって、図２Ｇに示す構造の発電デバイス１を得る。基板加工工程では、基板１０の第１面側から、支持部１１及び可撓部１８以外の部位（スリット１０ｄの形成予定領域）を第１所定深さ（埋込酸化膜１０ｂに達する深さ）までエッチングすることで第１溝を形成する第１溝形成工程を行う。基板加工工程では、第１溝形成工程の後、基板１０の第２面側から、支持部１１及び錘部１３以外の部位を第２所定深さ（埋込酸化膜１０ｂに達する深さ）までエッチングすることで第２溝を形成する第２溝形成工程を行う。基板加工工程では、第２溝形成工程の後、基板１０の第２面側から、埋込酸化膜１０ｂの不要部分をエッチング除去する酸化膜エッチング工程を行う。
After the second electrode 14c, the second wiring portion 16c, and the second pad 17c are formed by the second conductive layer patterning process or the like, the support portion 11, the beam portion 12 (flexible portion 18), and the weight portion are formed from the substrate 10. By performing the substrate processing step for forming 13, the power generation device 1 having the structure shown in FIG. 2G is obtained. In the substrate processing step, a portion other than the support portion 11 and the flexible portion 18 (scheduled formation region of the slit 10d) from the first surface side of the substrate 10 is a first predetermined depth (depth reaching the buried oxide film 10b). The first groove forming step for forming the first groove is performed by etching until the first groove is formed. In the substrate processing step, after the first groove forming step, the portion other than the support portion 11 and the weight portion 13 is extended from the second surface side of the substrate 10 to a second predetermined depth (depth reaching the buried oxide film 10b). A second groove forming step for forming the second groove by etching is performed. In the substrate processing step, after the second groove forming step, an oxide film etching step is performed in which unnecessary portions of the buried oxide film 10b are removed from the second surface side of the substrate 10 by etching.
本実施形態の発電デバイス１の製造方法では、第１溝形成工程において、上述の２つの凹部２０ａ，２０ａを形成する。第１溝形成工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用する。第１溝形成工程でのエッチングの際には、埋込酸化膜１０ｂがエッチングストッパ層となるエッチング条件でエッチングを行う。第２溝形成工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用する。第２溝形成工程でのエッチングの際には、埋込酸化膜１０ｂがエッチングストッパ層となるエッチング条件でエッチングを行う。酸化膜エッチング工程では、埋込酸化膜１０ｂの露出した部分を不要部分として、エッチング除去する。これにより、基板加工工程では、第１溝と第２溝とが連通してスリット１０ｄが形成され、支持部１１、梁部１２（可撓部１８）及び錘部１３が形成される。第１溝形成工程及び第２溝形成工程での各エッチングは、異方性の高いドライエッチングが好ましい。このようなドライエッチングを行うには、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置などを用いることが好ましい。また、酸化膜エッチング工程のエッチングは、ドライエッチングが好ましく、第１溝形成工程及び第２溝形成工程と同じドライエッチング装置を用いることが好ましい。これにより、発電デバイス１の製造方法では、製造コストの低コスト化を図ることが可能となる。また、発電デバイス１の製造方法では、第２溝形成工程と酸化膜エッチング工程とを、エッチング条件を変更するだけで同一のエッチングチャンバ内で連続して行うことが可能となる。基板加工工程における第１溝形成工程及び第２溝形成工程での各エッチングは、ドライエッチングに限らず、ＴＭＡＨ水溶液やＫＯＨ水溶液などのアルカリ系溶液を用いたウェットエッチング（結晶異方性エッチング）でもよい。いずれにしても、発電デバイス１の製造方法では、基板加工工程において、ＳＯＩ基板の埋込酸化膜１０ｂをエッチングストッパ層として利用する。これにより、発電デバイス１の製造方法は、基板１０がシリコン基板である場合に比べて、梁部１２（可撓部１８）の厚さの高精度化を図ることが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。
In the method for manufacturing the power generation device 1 of the present embodiment, the above-described two recesses 20a and 20a are formed in the first groove forming step. In the first groove forming step, a photolithography technique and an etching technique are used. In the etching in the first groove forming step, the etching is performed under the etching conditions in which the buried oxide film 10b becomes an etching stopper layer. In the second groove forming step, a photolithography technique and an etching technique are used. In the etching in the second groove forming step, the etching is performed under the etching conditions in which the buried oxide film 10b becomes an etching stopper layer. In the oxide film etching process, the exposed portion of the buried oxide film 10b is removed as an unnecessary portion by etching. Thus, in the substrate processing step, the first groove and the second groove are communicated to form the slit 10d, and the support portion 11, the beam portion 12 (flexible portion 18), and the weight portion 13 are formed. Each etching in the first groove forming step and the second groove forming step is preferably dry etching with high anisotropy. In order to perform such dry etching, it is preferable to use an inductively coupled plasma type dry etching apparatus capable of vertical deep drilling. In addition, the etching in the oxide film etching step is preferably dry etching, and it is preferable to use the same dry etching apparatus as in the first groove forming step and the second groove forming step. Thereby, in the manufacturing method of the electric power generation device 1, it becomes possible to achieve cost reduction of manufacturing cost. In the method for manufacturing the power generation device 1, the second groove forming step and the oxide film etching step can be continuously performed in the same etching chamber only by changing the etching conditions. Each etching in the first groove forming step and the second groove forming step in the substrate processing step is not limited to dry etching, but also wet etching (crystal anisotropic etching) using an alkaline solution such as a TMAH aqueous solution or a KOH aqueous solution. Good. In any case, in the method for manufacturing the power generation device 1, the buried oxide film 10b of the SOI substrate is used as an etching stopper layer in the substrate processing step. As a result, the method for manufacturing the power generation device 1 can increase the thickness of the beam portion 12 (flexible portion 18) compared to the case where the substrate 10 is a silicon substrate, thereby improving reliability. Can be achieved.
本実施形態の発電デバイス１の製造方法では、基板加工工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電デバイス１に分割するようにしている。
In the method for manufacturing the power generation device 1 of the present embodiment, the process until the substrate processing process is completed is performed at the wafer level, and then the dicing process is performed to divide the power generation device 1 into individual power generation devices 1.
以上説明した本実施形態の発電デバイス１では、梁部１２（可撓部１８）の２つの側面（１８ａ，１８ａ）は、それぞれ、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の２つの交点Ｐ，Ｐから、端面１１ａ側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側に延長されている。これにより、発電デバイス１は、梁部１２（可撓部１８）の側面（１８ａ，１８ａ）が、梁部１２の２つの側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の２つの交点Ｐ，Ｐから、端面１１ａ側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側に延長されていない構造に比べて、梁部１２（可撓部１８）が振動したときに梁部１２に過度の応力が発生するのを抑制することが可能となる。
In the power generation device 1 of the present embodiment described above, the two side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 (flexible portion 18) are the side surface (18a, 18a) of the beam portion 12 and the end surface of the support portion 11, respectively. It extends from the two intersections P and P to 11a to the opposite side of the support portion 11 (first end portion 111) when viewed from the end surface 11a side. Accordingly, in the power generation device 1, the side surface (18 a, 18 a) of the beam portion 12 (flexible portion 18) is between the two side surfaces (18 a, 18 a) of the beam portion 12 and the end surface 11 a of the support portion 11. When the beam portion 12 (flexible portion 18) vibrates from the two intersections P and P as compared with the structure not extended to the opposite side of the support portion 11 (first end portion 111) when viewed from the end surface 11a side. It is possible to suppress the generation of excessive stress in the beam portion 12.
ここで、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）が、それぞれ梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の交点Ｐ，Ｐから、端面１１ａ側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側に延長されていない構造では、梁部１２（可撓部１８）が振動したときに梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の交点Ｐ，Ｐ近傍において応力が集中する。このため、例えば、過度の振動が加わった場合には、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の交点Ｐ，Ｐでの応力集中に起因して、梁部１２が破損してしまう懸念がある。これに対し、本実施形態の発電デバイス１では、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）が、それぞれ、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の交点Ｐ，Ｐから、端面１１ａ側から見て支持部１１（第１端部１１１）の反対側に延長されている。これにより、発電デバイス１は、交点Ｐ，Ｐの各近傍に発生する応力を、梁部１２（可撓部１８）において圧電変換部１４が形成されている第１面（１８Ａ）とは反対側の第２面（１８Ｂ）と、支持部１１の端面１１ａとに接する線上に分散させることが可能となり、梁部１２の破損に対する耐性を向上させることが可能となる。よって、本実施形態の発電デバイス１では、発電デバイスの信頼性の向上を図ることが可能となる。
Here, the side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 are supported when viewed from the end surface 11a side from the intersections P, P between the side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 and the end surface 11a of the support portion 11, respectively. In the structure not extended to the opposite side of the portion 11 (first end portion 111), the side surface (18a, 18a) of the beam portion 12 and the end surface of the support portion 11 when the beam portion 12 (flexible portion 18) vibrates. Stress concentrates in the vicinity of the intersections P and P with 11a. Therefore, for example, when excessive vibration is applied, the beam is caused by stress concentration at the intersections P and P between the side surfaces (18a and 18a) of the beam portion 12 and the end surface 11a of the support portion 11. There is a concern that the portion 12 may be damaged. On the other hand, in the power generation device 1 of the present embodiment, the side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 are intersection points P between the side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 and the end surface 11a of the support portion 11, respectively. , P are extended to the opposite side of the support portion 11 (first end portion 111) when viewed from the end face 11a side. As a result, the power generation device 1 causes the stress generated in the vicinity of the intersections P and P to be opposite to the first surface (18A) where the piezoelectric conversion portion 14 is formed in the beam portion 12 (flexible portion 18). The second surface (18B) and the end surface 11a of the support portion 11 can be dispersed on the line, and the resistance against damage to the beam portion 12 can be improved. Therefore, in the power generation device 1 of the present embodiment, it is possible to improve the reliability of the power generation device.
発電デバイス１における梁部形成基板２０は、図１の例に限らず、例えば、図３に示すように、梁部１２の幅方向（Ｄ３）における凹部２０ａ，２０ａの幅寸法を大きくし、凹部２０ａ，２０ａにおける梁部１２側とは反対側の内側面が支持部１１の内周面と面一となるようにしてもよい。
The beam forming substrate 20 in the power generation device 1 is not limited to the example of FIG. 1, and for example, as shown in FIG. 3, the width dimension of the recesses 20 a and 20 a in the width direction (D 3) of the beam 12 is increased. The inner surface of 20a, 20a opposite to the beam portion 12 side may be flush with the inner peripheral surface of the support portion 11.
（実施形態２）
以下では、本実施形態の発電デバイス１について図４に基づいて説明する。 (Embodiment 2)
Below, the electricpower generation device 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG.
以下では、本実施形態の発電デバイス１について図４に基づいて説明する。 (Embodiment 2)
Below, the electric
本実施形態の発電デバイス１は、梁部形成基板（可撓部形成基板）２０の形状が実施形態１の発電デバイス１と相違する。錘部１３の端面１３ａは、支持部１１の端面１１ａに対向する面である。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
The power generation device 1 of the present embodiment is different from the power generation device 1 of the first embodiment in the shape of a beam portion forming substrate (flexible portion forming substrate) 20. The end surface 13 a of the weight portion 13 is a surface facing the end surface 11 a of the support portion 11. In addition, about the component similar to Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
梁部形成基板２０では、梁部１２の２つの側面（１８ａ，１８ａ）が、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１（第１端部１１１）側の錘部１３の端面１３ａとの間の交点Ｑ，Ｑ（図４Ｃ，４Ｄ参照）から、端面１３ａ側から見て錘部１３の反対側（第２方向Ｄ２の第２側）に延長されている。ここで、発電デバイス１は、梁部形成基板２０の第１面に、端面１３ａ側から見て錘部１３の反対側（図４Ｃにおける右側、図４Ｄにおける左側）に延長された梁部１２の側面１２ａ，１２ａの部位を露出させる凹部２０ｂ，２０ｂが形成されている。凹部２０ｂ，２０ｂは、支持部１１の端面１１ａ側が開放されており、スリット１０ｄに連通している。また、凹部２０ｂ，２０ｂは、埋込酸化膜１０ｂに達する深さに形成されている。
In the beam portion forming substrate 20, the two side surfaces (18 a, 18 a) of the beam portion 12 are the end surfaces 13 a of the weight portion 13 on the side surface (18 a, 18 a) of the beam portion 12 and the support portion 11 (first end portion 111) side. Are extended from the intersections Q and Q (see FIGS. 4C and 4D) to the opposite side of the weight 13 (second side in the second direction D2) when viewed from the end face 13a side. Here, the power generation device 1 has a beam portion 12 extended on the first surface of the beam portion forming substrate 20 on the opposite side of the weight portion 13 (the right side in FIG. 4C and the left side in FIG. 4D) when viewed from the end surface 13a side. Concave portions 20b and 20b that expose the portions of the side surfaces 12a and 12a are formed. The concave portions 20b and 20b are open on the end surface 11a side of the support portion 11 and communicate with the slit 10d. The recesses 20b and 20b are formed to a depth reaching the buried oxide film 10b.
換言すると、可撓部１８は、支持部１１側の可撓部１８の一部を梁部１２として含み、可撓部１８の残部の第３方向Ｄ３の寸法は、梁部１２の第３方向Ｄ３の寸法よりも大きい。また、可撓部１８の残部（錘部１３）は、可撓部１８の残部（錘部１３）の第１面１８Ａに形成された２つの凹部２０ｂ，２０ｂを含み、これらは、Ｕ字状のスリット１０ｄの両端部にそれぞれ連通し、スリット１０ｄの両端部に位置する上記可撓部１８の一部（梁部１２）の側面（１８ａ，１８ａ）とそれぞれ面一となる２つの内面２０２，２０２を含む。２つの内面２０２，２０２が、上記可撓部１８の一部（梁部１２）から延長された側面（１８ａ，１８ａ）に対応する。詳しくは、第３方向Ｄ３の第１側（図４Ａでは上側）の凹部２０ｂは、第３方向Ｄ３の第１側に位置するスリット１０ｄの端部に連通し、そのスリット１０ｄの端部に位置する上記可撓部１８の一部（梁部１２）の側面（１８ａ）と面一となる内面２０２を含む。他方、３方向Ｄ３の第２側（図４Ａでは下側）の凹部２０ｂは、第３方向Ｄ３の第２側に位置するスリット１０ｄの端部に連通し、そのスリット１０ｄの端部に位置する上記可撓部１８の一部（梁部１２）の側面（１８ａ）と面一となる内面２０２を含む。
In other words, the flexible portion 18 includes a part of the flexible portion 18 on the support portion 11 side as the beam portion 12, and the dimension of the remaining portion of the flexible portion 18 in the third direction D3 is the third direction of the beam portion 12. It is larger than the dimension of D3. The remaining portion (weight portion 13) of the flexible portion 18 includes two concave portions 20b and 20b formed on the first surface 18A of the remaining portion (weight portion 13) of the flexible portion 18, and these are U-shaped. The two inner surfaces 202 are respectively in communication with both ends of the slit 10d, and are flush with the side surfaces (18a, 18a) of a part (beam portion 12) of the flexible portion 18 located at both ends of the slit 10d. 202. The two inner surfaces 202, 202 correspond to side surfaces (18a, 18a) extended from a part of the flexible portion 18 (beam portion 12). Specifically, the recess 20b on the first side (upper side in FIG. 4A) in the third direction D3 communicates with the end of the slit 10d located on the first side in the third direction D3, and is positioned at the end of the slit 10d. An inner surface 202 that is flush with the side surface (18a) of a part (beam portion 12) of the flexible portion 18 is included. On the other hand, the recess 20b on the second side (lower side in FIG. 4A) in the three directions D3 communicates with the end of the slit 10d located on the second side in the third direction D3, and is located on the end of the slit 10d. It includes an inner surface 202 that is flush with a side surface (18a) of a part of the flexible portion 18 (beam portion 12).
本実施形態の発電デバイス１の製造方法は、実施形態１で説明した発電デバイス１の製造方法と同様であり、基板加工工程の第１溝形成工程で用いるフォトマスクのパターンが相違するだけである。要するに、本実施形態の発電デバイス１の製造方法では、第１溝形成工程において、上記第１溝及び凹部２０ａ，２０ａとともに、凹部２０ｂ，２０ｂを形成できるように、第１溝形成工程で用いるフォトマスクのパターンを設計してある。
The method for manufacturing the power generation device 1 according to the present embodiment is the same as the method for manufacturing the power generation device 1 described in the first embodiment, and only the pattern of the photomask used in the first groove forming step of the substrate processing step is different. . In short, in the method for manufacturing the power generating device 1 of the present embodiment, the photo used in the first groove forming step so that the concave portions 20b and 20b can be formed together with the first groove and the concave portions 20a and 20a in the first groove forming step. The mask pattern is designed.
本実施形態の発電デバイス１では、実施形態１と同様、梁部１２の２つの側面（１８ａ，１８ａ）が、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１の端面１１ａとの間の交点Ｐ，Ｐから、端面１１ａ側から見て支持部１１（第１端部）の反対側に延長されている。これにより、発電デバイス１は、交点Ｐ，Ｐの各近傍に発生する応力を、梁部１２において圧電変換部１４が形成されている第１面とは反対側の第２面と、支持部１１の端面１１ａとの接する線上に分散させることが可能となり、梁部１２の破損に対する耐性を向上させることが可能となる。
In the power generation device 1 of the present embodiment, the two side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 are located between the side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 and the end surface 11a of the support portion 11 as in the first embodiment. From the intersections P and P, it is extended to the opposite side of the support part 11 (1st edge part) seeing from the end surface 11a side. Thereby, the power generation device 1 causes the stress generated in the vicinity of each of the intersections P and P to be applied to the second surface of the beam portion 12 opposite to the first surface on which the piezoelectric conversion portion 14 is formed, and the support portion 11. It becomes possible to disperse it on the line in contact with the end face 11a of the lens, and it is possible to improve the resistance against damage of the beam portion 12.
また、本実施形態の発電デバイス１は、梁部１２の２つの側面（１８ａ，１８ａ）が、それぞれ梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と支持部１１（第１端部１１１）側の錘部１３の端面１３ａとの交点Ｑ，Ｑから、端面１３ａ側から見て錘部１３（可撓部１８の残部）の反対側に延長されている。これにより、発電デバイス１は、梁部１２の側面１２ａ，１２ａが、それぞれ梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と錘部１３の端面１３ａの交点Ｑ，Ｑから、端面１３ａ側から見て錘部１３（可撓部１８の残部）の反対側に延長されていない構造に比べて、梁部１２が振動したときに梁部１２に過度の応力が発生するのを抑制することが可能となる。
Further, in the power generation device 1 of the present embodiment, the two side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 have weights on the side surface (18a, 18a) of the beam portion 12 and the support portion 11 (first end portion 111) side, respectively. Extending from the intersections Q and Q of the portion 13 with the end surface 13a to the opposite side of the weight portion 13 (the remaining portion of the flexible portion 18) when viewed from the end surface 13a side. As a result, the power generation device 1 is configured such that the side surfaces 12a and 12a of the beam portion 12 have weights as viewed from the end surface 13a side from the intersections Q and Q of the side surfaces (18a and 18a) of the beam portion 12 and the end surface 13a of the weight portion 13, respectively. Compared to the structure not extended to the opposite side of the portion 13 (the remaining portion of the flexible portion 18), it is possible to suppress the generation of excessive stress in the beam portion 12 when the beam portion 12 vibrates. .
ここで、梁部１２の２つの側面１２ａ，１２ａが、それぞれ梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と錘部１３の端面１３ａの交点Ｑ，Ｑから、端面１３ａ側から見て錘部１３（可撓部１８の残部）の反対側に延長されていない構造では、梁部１２が振動したときに梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と錘部１３の端面１３ａとの交点Ｑ，Ｑの近傍において応力が集中する。このため、例えば、過度の振動が加わった場合には、梁部１２の側面（１８ａ，１８ａ）と錘部１３の端面１３ａとの交点Ｑ，Ｑでの応力集中に起因して、梁部１２が破損してしまう懸念がある。これに対し、本実施形態の発電デバイス１では、交点Ｑ，Ｑの近傍に発生する応力を、梁部１２において圧電変換部１４が形成されている第１面とは反対側の第２面と、錘部１３の端面１３ａとの接する線上に分散させることが可能となり、梁部１２の破損に対する耐性を向上させることが可能となる。よって、本実施形態では、実施形態１の発電デバイス１に比べて、発電デバイス１の信頼性を更に向上させることが可能となる。
Here, the two side surfaces 12a and 12a of the beam portion 12 are respectively seen from the intersection surfaces Q and Q of the side surfaces (18a and 18a) of the beam portion 12 and the end surface 13a of the weight portion 13 from the weight portion 13 ( In the structure that is not extended to the opposite side of the remaining portion of the flexible portion 18), the intersection points Q and Q of the side surfaces (18 a and 18 a) of the beam portion 12 and the end surface 13 a of the weight portion 13 when the beam portion 12 vibrates. Stress concentrates in the vicinity. For this reason, for example, when excessive vibration is applied, the beam portion 12 is caused by stress concentration at the intersections Q and Q between the side surfaces (18a, 18a) of the beam portion 12 and the end surface 13a of the weight portion 13. There is a concern that will be damaged. On the other hand, in the power generation device 1 of the present embodiment, the stress generated in the vicinity of the intersections Q and Q is applied to the second surface opposite to the first surface where the piezoelectric conversion portion 14 is formed in the beam portion 12. It becomes possible to disperse them on the line in contact with the end face 13a of the weight part 13, and to improve the resistance against damage of the beam part 12. Therefore, in the present embodiment, the reliability of the power generation device 1 can be further improved as compared with the power generation device 1 of the first embodiment.
発電デバイス１における梁部形成基板２０は、図４の例に限らず、例えば、図５に示すように、梁部１２の幅方向（Ｄ３）における凹部２０ａ，２０ａの幅寸法を大きくし、凹部２０ａ，２０ａにおける梁部１２側とは反対側の内側面が支持部１１の内周面と面一となるようにしてもよい。また、梁部形成基板２０は、図５に示すように、梁部１２の幅方向に沿った方向において、凹部２０ｂ，２０ｂを、梁部１２側とは反対側も開放された形状としてもよい。
The beam forming substrate 20 in the power generation device 1 is not limited to the example of FIG. 4, and for example, as shown in FIG. 5, the width dimension of the recesses 20 a and 20 a in the width direction (D 3) of the beam 12 is increased. The inner surface of 20a, 20a opposite to the beam portion 12 side may be flush with the inner peripheral surface of the support portion 11. Further, as shown in FIG. 5, the beam forming substrate 20 may have a shape in which the recesses 20 b and 20 b are opened on the opposite side to the beam 12 side in the direction along the width direction of the beam 12. .
Claims (4)
- 支持部と、
前記支持部に支持された可撓部と、
前記可撓部に設けられ前記可撓部の振動により生じる応力を交流電圧に変換するように構成される圧電変換部と
を備え、
前記可撓部の複数の側面は、それぞれ、前記可撓部の複数の側面と前記可撓部側の前記支持部の端面との間の複数の交点から、前記端面側から見て前記支持部の反対側に延長されている
ことを特徴とする発電デバイス。 A support part;
A flexible part supported by the support part;
A piezoelectric conversion unit provided in the flexible unit and configured to convert a stress generated by vibration of the flexible unit into an alternating voltage;
The plurality of side surfaces of the flexible portion are respectively the support portions as viewed from the end surface side from a plurality of intersections between the plurality of side surfaces of the flexible portion and the end surface of the support portion on the flexible portion side. A power generation device characterized in that it is extended to the opposite side. - 前記可撓部は梁部であり、
前記梁部の先端に錘部が設けられ、
前記梁部の複数の側面は、前記梁部の複数の側面と前記支持部側の前記錘部の端面との間の複数の交点から、前記錘部の端面側から見て前記錘部の反対側に延長されている
ことを特徴とする請求項１記載の発電デバイス。 The flexible portion is a beam portion;
A weight portion is provided at the tip of the beam portion,
The plurality of side surfaces of the beam portion are opposite to the weight portion when viewed from the end surface side of the weight portion from a plurality of intersection points between the plurality of side surfaces of the beam portion and the end surface of the weight portion on the support portion side. The power generation device according to claim 1, wherein the power generation device is extended to a side. - Ｕ字状のスリットが前記支持部と前記可撓部との間に形成され、
前記可撓部を支持する前記支持部の一部は、２つの凹部を含み、これらは、前記スリットの２つの端部にそれぞれ連通し、前記スリットの２つの端部に位置する前記可撓部の２つの側面とそれぞれ面一となる２つの内面を含み、
前記２つの内面が前記可撓部から延長された複数の側面に対応する
ことを特徴とする請求項１記載の発電デバイス。 A U-shaped slit is formed between the support portion and the flexible portion;
A part of the support part that supports the flexible part includes two recesses, which respectively communicate with the two end parts of the slit and are located at the two end parts of the slit. Including two inner surfaces that are flush with the two side surfaces,
The power generation device according to claim 1, wherein the two inner surfaces correspond to a plurality of side surfaces extended from the flexible portion. - Ｕ字状のスリットが前記支持部と前記可撓部との間に形成され、
前記支持部側の前記可撓部の一部の幅寸法は、前記可撓部の残部のそれよりも小さく、
前記可撓部の残部は、前記可撓部の残部の一表面に形成された２つの凹部を含み、これらは、前記スリットの２つの端部にそれぞれ連通し、前記スリットの２つの端部に位置する前記可撓部の一部の２つの側面とそれぞれ面一となる２つの内面を含み、
前記２つの内面が、前記可撓部の一部から延長された２つの側面となる
ことを特徴とする請求項１記載の発電デバイス。 A U-shaped slit is formed between the support portion and the flexible portion;
The width dimension of a part of the flexible part on the support part side is smaller than that of the remaining part of the flexible part,
The remaining portion of the flexible portion includes two concave portions formed on one surface of the remaining portion of the flexible portion, which communicate with the two end portions of the slit, respectively, and to the two end portions of the slit. Two internal surfaces that are flush with the two side surfaces of the part of the flexible part that is positioned,
The power generation device according to claim 1, wherein the two inner surfaces are two side surfaces extended from a part of the flexible portion.
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