WO2020101014A1

WO2020101014A1 - 振動発電素子

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Publication number: WO2020101014A1
Application number: PCT/JP2019/044860
Authority: WO
Inventors: 年吉　洋; 浩章本間; 裕幸三屋
Original assignee: 国立大学法人東京大学; 株式会社鷺宮製作所
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-05-22
Also published as: EP3883117A1; CN113016132A; JP2020088935A; US20220014118A1; EP3883117A4; JP7075593B2; US11722074B2

Abstract

複数の固定櫛歯を有し、前記複数の固定櫛歯が対向するように配置される一対の固定電極部と、前記一対の固定電極部の間に配置され、各固定電極部の前記複数の固定櫛歯の間に挿入される一対の複数の可動櫛歯を有する可動電極部とを備え、前記固定櫛歯および/または前記可動櫛歯がエレクトレット化された３端子構造の振動発電素子であって、前記固定櫛歯と前記可動櫛歯との間の隙間領域のギャップ寸法が２０μｍよりも小さく、前記隙間領域の櫛歯高さ方向の寸法と前記隙間領域のギャップ寸法との比であるアスペクト比が２０以上である、振動発電素子。

Description

振動発電素子

　本発明は、振動発電素子に関する。

　従来、ＭＥＭＳ加工技術を用いた静電型の微小な振動発電素子が知られている。特許文献１には、固定側および可動側の櫛歯電極が互いに噛み合うように配置され、櫛歯電極の挿入量が変化するように振動して発電を行う振動発電素子が記載されている。特許文献１に記載の振動発電素子では、一対の固定側電極と、それらの固定側電極との間で振動する１つの可動側電極を備えた３端子構造とすることで、外部振動が小さな場合であっても効率よく発電を行えるようにしている。

日本国特開２０１８－８８７８０号公報

　特許文献１に記載の振動発電素子において発電電力を大きくするためには、一般には櫛歯電極の数を増やして櫛歯電極の表面積を大きくする必要があり、ＭＥＭＳ加工技術を用いた静電型の微小な振動発電素子においては、微小な環境振動を利用してより大きな発電電力を得ることが課題である。

　本発明の第１の態様によると、複数の固定櫛歯を有し、前記複数の固定櫛歯が対向するように配置される一対の固定電極部と、前記一対の固定電極部の間に配置され、各固定電極部の前記複数の固定櫛歯の間に挿入される一対の複数の可動櫛歯を有する可動電極部とを備え、前記固定櫛歯および/または前記可動櫛歯がエレクトレット化された３端子構造の振動発電素子であって、前記固定櫛歯と前記可動櫛歯との間の隙間領域のギャップ寸法が２０μｍよりも小さく、前記隙間領域の櫛歯高さ方向の寸法と前記隙間領域のギャップ寸法との比であるアスペクト比が２０以上である。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様による振動発電素子において、前記固定櫛歯および前記可動櫛歯はシリコンにより形成され、前記固定櫛歯および前記可動櫛歯の少なくも一方の表面には、永久電荷を含むシリコン酸化膜が形成されていることが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様による振動発電素子において、前記シリコン酸化膜の表面には、エレクトレット保護膜が形成されていることが好ましい。

　本発明によれば、振動発電素子の大型化を抑えつつ、発電電力の向上を図ることができる。

図１は、振動発電素子の平面図である。図２は、固定部と、固定部上のＢＯＸ層（ＳｉＯ_２層）の形状を示す図である。図３は、櫛歯電極に形成されたエレクトレットを説明する図である。図４は、振動発電の原理を説明する図である。図５は、互いに噛合する櫛歯電極の部分の拡大図である。図６は、エッチングレートの実測値の一例を示すグラフである。図７は、エッチング溝形状を模式的に示す図である。図８は、櫛歯電極部分の形成手順を示す図である。図９は、図８に続く手順を示す図である。図１０は、第３の工程を説明する図である。図１１は、第３の工程を説明する図であり、図１０に続く手順を示す。図１２は、ダミーパターンの変形例を説明する図であり、第２の工程を示す。図１３は、固定側および可動側の櫛歯電極の櫛歯高さ方向の寸法が異なる場合のアスペクト比を説明する図である。図１４は、最大変位時の櫛歯アスペクト比と発電電力との関係の一例を示すグラフである。

　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、振動発電素子１の平面図である。振動発電素子１は、固定電極部１１１が設けられた固定部１１と、可動電極部１２１が設けられた可動部１２と、可動部１２を弾性支持する弾性支持部１３とを備えている。可動部１２は、固定部１１上に形成された接続部１１４に弾性支持部１３を介して機械的および電気的に接続されている。

　図１に示す振動発電素子１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて一般的なＭＥＭＳ加工技術により形成される。ＳＯＩ基板はＳｉのハンドル層とＳｉＯ_２のＢＯＸ層とＳｉのデバイス層とから成る３層構造の基板であり、固定部１１はハンドル層により形成され、固定電極部１１１、可動部１２、弾性支持部１３および接続部１１４はデバイス層により形成される。なお、振動発電素子１は、ＳＯＩ基板に限らずＳｉ基板等を用いて形成しても良い。

　固定部１１上には４組の固定電極部１１１が形成されており、各固定電極部１１１には、ｘ方向に延びる櫛歯電極１１０がｙ方向に複数形成されている。可動部１２には、図示上下に２組の可動電極部１２１が形成されている。各可動電極部１２１には、ｘ方向に延びる櫛歯電極１２０がｙ方向に複数形成されている。固定電極部１１１の櫛歯電極１１０と可動電極部１２１の櫛歯電極１２０とは、静止状態においてｘ方向に所定の噛合長をもって、隙間を介して互いに噛合するように配置されている。

　可動部１２は４組の弾性支持部１３によって弾性支持されている。各弾性支持部１３は、弾性変形可能な３本のビーム１３ａ～１３ｃを備えている。ビーム１３ａの端部は固定部１１上に固定され、ビーム１３ｂの一端は可動電極部１２のｘ方向両端に接続され、ビーム１３ｃの端部は固定部１１上に形成された接続部１１４に接続されている。固定電極部１１１上には電極パッド１１２が形成され、接続部１１４上には電極パッド１１３が形成されている。可動部１２がｘ方向に振動すると、一対の固定電極部１１１の間で可動電極部１２１が振動し、固定電極部１１１の櫛歯電極１１０に対する櫛歯電極１２０の挿入量（噛合量）が変化して発電が行われる。

　図２は、ＳＯＩ基板のハンドル層に形成された固定部１１の平面視形状と、ＢＯＸ層に形成されハッチングで示す固定部領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの平面視形状とを示す。固定部領域１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、デバイス層に形成された固定電極部１１１，接続部１１４および弾性支持部１３と、固定部１１とを介在するように残ったＢＯＸ層である。固定部領域１１Ａは、ビーム１３ａの端部と固定部１１との間に介在するＢＯＸ層を示す。固定部領域１１Ｂは、接続部１１４と固定部１１との間に介在するＢＯＸ層を示す。固定部領域１１Ｃは、固定電極部１１１と固定部１１との間に介在するＢＯＸ層を示す。

　図３は、固定電極部１１１の櫛歯電極１１０と可動電極部１２１の櫛歯電極１２０の断面の一部を示す模式図である。櫛歯電極１１０，１２０には、周知のＢ－Ｔ法（Bias-Temperature法：例えば、日本国特開２０１３－１３２５６号公報参照）によりエレクトレットが形成される。図３に示す例では、櫛歯電極１１０の表面に形成された酸化膜（ＳｉＯ_２膜）に、負電荷（ＳｉＯ－）のエレクトレットが形成されている。矢印は電気力線を示している。

　図４は、振動発電の原理を説明する図である。なお、図４では、１つの固定電極部に対して１つの可動電極部が設けられている２端子構造を例に示した。図４（ａ）はエレクトレットの静電力と弾性支持部１３の弾性力とが釣り合っている中立位置に可動電極部１２１（不図示）がある場合の櫛歯電極１１０，１２０を示したものである。環境振動により図４（ａ）の状態から図４（ｂ）に示すように可動電極部側の櫛歯電極１２０が右側へ移動すると、櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０との噛合領域が小さくなり、静電誘導による電子が櫛歯電極１１０から櫛歯電極１２０へと流れる。逆に、図４（ａ）の状態から図４（ｃ）に示すように可動電極部側の櫛歯電極１２０が左側へ移動すると、櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０との噛合領域が大きくなり、静電誘導による電子が櫛歯電極１２０から櫛歯電極１１０へと流れる。

　このように、エレクトレットが形成された櫛歯電極の挿入量（噛合量）の変化により発電を行う振動発電素子では、互いに噛合する櫛歯電極１１０，１２０の対向面（側壁）の高さが大きい振動発電素子ほど、同一振動量に対する発電量がより大きくなる。すなわち、櫛歯電極１１０，１２０が形成されるＳＯＩ基板のデバイス層の厚さが厚いほど櫛歯電極１１０，１２０の側壁面積を大きくすることが可能となり、図１の平面図における素子面積が同一であってもより発電量の大きな振動発電素子を提供することができる。

　ところで、エレクトレットが形成された振動発電素子１の場合、エレクトレットによる静電引力により可動電極部１２１の櫛歯電極１２０が固定電極部１１１の櫛歯電極１１０に引き込まれることになる。弾性支持部１３が変形したときの弾性力がある程度大きい場合には、櫛歯電極１２０が途中まで引き込まれた状態で静電力と弾性力とが釣り合った状態となる。弾性支持部１３の弾性力が静電力よりも小さい場合には静電力と弾性力とが釣り合うことがなく、櫛歯電極１２０は完全に引き込まれた状態となる。そのため、図４に示すような２端子構成の振動発電素子の場合には、櫛歯電極１１０，１２０のデバイス層厚さ方向寸法（ｚ方向寸法）を大きくすると静電力が大きくなって、環境振動が小さい場合には振動し難いという問題が生じる。

　本実施の形態では、一対の固定電極部１１１の間で可動電極部１２１が振動する３端子構成とすることにより、一方の櫛歯電極１１０，１２０で生じる静電引力が他方の櫛歯電極１１０，１２０の静電引力を相殺するような３端子構成の振動発電素子１とした。さらに、３端子構成とすることで、静電引力の影響を受けることなく櫛歯電極１１０，１２０の櫛歯高さ方向の寸法、すなわちｚ方向寸法をより大きくすることが可能となり、櫛歯本数を増やさなくても発電量の増大を容易に図ることができるようになる。もちろん、櫛歯電極のｚ方向寸法を従来のままとし櫛歯本数を増やすことでも発電量の増加を図ることができるが、振動発電素子１を平面視したときの面積が増加して大型化するという欠点がある。

　ところで、互いに噛合する櫛歯電極１１０，１２０を備える振動発電素子１では、図５に示すように、櫛歯電極１２０が櫛歯電極１１０に挿入されている部分のギャップ寸法、すなわち噛合状態における櫛歯電極１１０，１２０間のギャップ寸法Ｇ１は、噛合していない部分の隣り合う櫛歯電極１１０間のギャップ寸法Ｇ２よりも小さい。櫛歯電極１１０，１２０のｚ方向寸法Ｌ１は、一般にＳＯＩ基板のデバイス層の厚さ寸法と同一とされる。Ｌ２は櫛歯電極１１０，１２０のｙ方向寸法である。

　櫛歯電極１１０，１２０間の隙間領域（以下、ギャップ領域とも呼ぶ）に関して、ギャップ領域の櫛歯高さ方向の寸法Ｌ１とギャップ領域のギャップ寸法Ｇ１との比＝Ｌ１／Ｇ１はそのギャップ領域のアスペクト比と呼ばれる。同様に、櫛歯電極１１０の噛合していない根元付近における隣り合う櫛歯電極１１０間のギャップ領域のアスペクト比は、Ｌ１／Ｇ２で表される。一例として、Ｇ１＝９μｍ、Ｌ１＝３００μｍ、Ｌ２＝２０μｍとすると、Ｇ２＝３８μｍとなり、櫛歯電極１１０，１２０間のギャップ領域のアスペクト比は３３．３、隣り合う櫛歯電極１１０間のギャップ領域のアスペクト比は７．９となる。

　なお、図１３に示すように、固定側の櫛歯電極１１０と可動側の櫛歯電極１２０の櫛歯高さ方向の寸法がＬ３、Ｌ１（＜Ｌ３）のように異なる場合には、隙間領域ＧＡは櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０とで挟まれた領域となり、隙間領域ＧＡの櫛歯高さ方向の寸法はＬ１となる。図１３において、（ａ）は櫛歯電極１１０、１２０の平面図、（ｂ）はＣ－Ｃ断面図、（ｃ）はＤ－Ｄ断面図である。よって、隙間領域ＧＡのアスペクト比はＬ１/Ｇ１と表される。逆に、Ｌ３＜Ｌ１である場合には、隙間領域ＧＡの櫛歯高さ方向の寸法はＬ３となり、アスペクト比はＬ３/Ｇ１のように表される。

　本実施の形態の振動発電素子１のように、固定電極部１１１の櫛歯電極１１０と可動電極部１２１の櫛歯電極１２０とが噛合し、挿入方向に振動する構造の場合、噛合状態にある部分のギャップ寸法Ｇ１と噛合していない部分のギャップ寸法Ｇ２とが異なる。振動発電素子１はＳＯＩ基板を半導体加工技術によって形成されるが、櫛歯電極１１０，１２０のギャップ領域のような高アスペクト比の溝は、一般にＤｅｅｐ－ＲＩＥによるエッチングによって加工される。

　Ｄｅｅｐ－ＲＩＥによるエッチングレートはギャップ寸法（溝幅）によって異なる。図６は、エッチングレートの実測値の一例を示すグラフである。ラインＬ１０は、開口幅１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍおよび４０μｍの溝を同時にエッチング開始し、開口幅４０μｍのエッチング深さが５７８．６μｍに達したときの、各開口幅１０μｍ～３０μｍのエッチング深さを示したものである。また、ラインＬ２０は、開口幅５μｍ、７．５μｍ、１０μｍおよび２０μｍの溝を同時にエッチング開始し、開口幅２０μｍのエッチング深さが４００μｍに達したときの、各開口幅５μｍ～１０μｍのエッチング深さを示したものである。

　なお、ラインＬ１０上の開口幅１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍおよび４０μｍにおけるアスペクト比は、それぞれ３７、２７．８、２３．１、１７．５および１４．５である。一方、ラインＬ２０上の開口幅５μｍ、７．５μｍ、１０μｍおよび２０μｍにおけるアスペクト比は、それぞれ５８．２、４７．５、３９．６および２０である。

　ラインＬ１０，２０を比較すると、ほぼ１０～２０μｍを境にして開口幅に対するエッチングレートの変化の様子が異なる。すなわち、開口幅２０μｍ付近からエッチングレートの低下の度合いが徐々に大きくなり、さらに、開口幅が概略１０μｍよりも小さくなりアスペクト比が３０よりも大きくなると、エッチングレートの低下の度合いがより顕著になると推定される。そのため、図５のようにアスペクト比の異なるギャップ領域が混在する場合、アスペクト比の異なるギャップ領域におけるエッチングレートが大きく異なることになり、そのことがエッチング加工による櫛歯形状に悪影響を与えることが判った。

　例えば、開口幅５μｍのエッチングレートと開口幅２０μｍのエッチングレートとの比は、開口幅２０μｍのエッチングレートと開口幅４０μｍのエッチングレートとの比に比べて小さい。そのため、ＳＯＩ基板のデバイス層をＢＯＸ層に達するまでエッチングする場合、開口幅５μｍと開口幅２０μｍとをＢＯＸ層に達するまでエッチングした場合のエッチング時間の時間差は、開口幅２０μｍと開口幅４０μｍとをＢＯＸ層までエッチングした場合のエッチング時間の時間差と比べて大きくなる。エッチングの時間差が大きくなると、先にＢＯＸ層に達した開口幅の大きい方のエッチング溝は、ＢＯＸ層付近の溝側壁がさらにエッチングされて、壁部の厚さすなわち櫛歯電極の幅寸法が小さくなり振動発電に悪影響を及ぼすことになる。この溝側壁の厚さへの影響はＢＯＸ層までの寸法が大きくなるほど顕著になり、ギャップ寸法Ｇ１のギャップ領域のアスペクト比が２０以上となると振動発電に影響する恐れがある。

　図７は、ＳＯＩ基板のデバイス層にギャップ寸法Ｇ１の溝３００とギャップ寸法Ｇ２（＞Ｇ１）の溝３０１を形成した場合のエッチング溝形状を模式的に示す図である。図７（ａ）はギャップ寸法Ｇ２の溝３０１がＢＯＸ層に達した時点の形状を示したものであり、溝幅の狭い溝３００はＢＯＸ層に達していない。図７（ｂ）は、溝３００がＢＯＸ層に達した時点の形状を示したものである。図７（ａ）から図７(ｂ)となるまでの間、エッチングにより溝３０１の底付近（ＢＯＸ層付近）ではデバイス層が横方向にエッチングされ易い。図７（ｂ）のように溝３００がＢＯＸ層に達した時点では、溝３０１はＢＯＸ層に近い領域Ｃにおいて溝壁部がノッチ状にエッチングされた形状となる。

（櫛歯電極形成方法）
　本実施の形態では、図７(ｂ)に示すようなノッチ状のエッチング形状を防止するために、櫛歯電極形成用のマスク形態を従来と異なる形態としている。ＳＯＩ基板から振動発電素子１の構造体を形成する方法は、櫛歯電極部分のマスク形態を除けば従来の形成方法（例えば、再公表特許ＷＯ２０１５/０１９９１９公報等を参照）と同様であり、ここでは、櫛歯電極１１０，１２０部分の構造体の形成手順のみを説明する。図８～１１は櫛歯電極１１０，１２０部分の形成手順を示す図である。図８（ａ）は櫛歯電極１１０，１２０部分の平面図であり、図８（ｂ），（ｃ）はＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図を示す。

　第１の工程では、ハンドル層４０１，ＢＯＸ層４０２およびデバイス層４０３から成るＳＯＩ基板を用意し、デバイス層４０３の表面に櫛歯電極１１０，１２０を形成するためのアルミマスクパターン４０４，４０５を、図８（ａ）～（ｃ）のような形状に形成する。アルミマスクパターン４０４は平面視形状が櫛歯電極１１０の平面視形状に対応し、アルミマスクパターン４０５は平面視形状が櫛歯電極１２０の平面視形状に対応する。噛合状態領域のＡ－Ａ断面図（図８（ｂ））にはアルミマスクパターン４０４，４０５が形成されており、噛合していない櫛歯電極１２０の根元領域のＢ－Ｂ断面図（図８（ｃ））にはアルミマスクパターン４０５のみが形成されている。図８（ｂ）に示すアルミマスクパターン４０４とアルミマスクパターン４０５との間隔（開口幅）Ｇ１に比べて、図８（ｃ）のアルミマスクパターン４０５同士の間隔（開口幅）Ｇ２は広くなっている。図８（ａ）に示すように、アルミマスクパターン４０４同士の間隔もＧ２である。

　図９は第２の工程を示す図である。第２の工程では、図９（ａ）の平面図に示すように、櫛歯根元領域における隣り合うアルミマスクパターン４０５間および隣り合うアルミマスクパターン４０４間の隙間にレジストによるダミーパターン４０６をそれぞれ形成する。ダミーパターン４０６は、開口幅が狭い溝と開口幅が広い溝のエッチング完了タイミング（ＢＯＸ層に達するタイミング）がほぼ同時となるように調整するためのパターンであり、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥによる溝加工終了時（櫛歯電極形成完了時）には、エッチングされて除去される。ダミーパターン４０６の厚さＴの設定方法については後述する。

　ダミーパターン４０６の材料としてここではレジストを用いているが、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥによるエッチングレートがアルミマスクパターンよりも大きくエッチング加工終了時に除去されてしまうものであれば、レジストに限らず用いることができる。ここでは、図９（ａ）に示すように、ダミーパターン４０６とアルミマスクパターン４０４，４０５との間隔を、噛合状態における隣り合うアルミマスクパターン４０４，４０５の間隔と同程度に設定した場合について説明する。

　図１０，１１は第３の工程を示す図である。第３の工程では、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥによるエッチングを行って、デバイス層４０３に櫛歯電極１１０，１２０を形成する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）、図１１（ｂ）の順にエッチングが進み、図１１（ｂ）の状態となったならばエッチング工程（第３の工程）が完了する。図１０（ａ）のＡ－Ａ断面図では、アルミマスクパターン４０４，４０５で覆われていないデバイス層４０３が露出している部分からデバイス層４０３が掘り下げられるようにエッチングされ、溝４０３ａが形成されている。一方、Ｂ－Ｂ断面図では、ダミーパターン４０６とアルミマスクパターン４０５との間のデバイス層４０３が露出している部分がエッチングされて溝４０３ｂが形成されるとともに、レジストのダミーパターン４０６もエッチングにより厚さが減少する。

　図１０（ｂ）は、図１０（ａ）よりもエッチング時間がさらに経過し、Ｂ－Ｂ断面図に示すようにエッチングによりダミーパターン４０６の厚さがゼロとなった時点を示したものである。溝４０３ａ，４０３ｂの深さは、図１０（ａ）に示す場合よりも増加している。Ｂ－Ｂ断面図に示すように、隣り合うアルミマスクパターン４０５の間に露出しているデバイス層４０３は、凸状部４０３ｃの両脇に溝４０３ｂが形成された断面形状となっている。

　図１１（ａ）は、図１０（ｂ）よりもエッチング時間がさらに経過した状態を示す。溝４０３ａ，４０３ｂの深さがさらに増加するとともに、Ｂ－Ｂ断面図に示すように凸状部４０３ｃの部分もエッチングされて先端位置が図１０（ｂ）の場合よりも低くなっている。Ｂ－Ｂ断面図において、隣り合うアルミマスクパターン４０５の間隔（すなわち開口幅）はＡ－Ａ断面図のアルミマスクパターン４０４，４０５の間の間隔よりも広いので、エッチングレートはより大きなものとなる。そのため、溝４０３ａの深さの増加率よりも凸状部４０３ｃの先端位置の低下率の方が大きくなる。

　図１１（ｂ）は、図１１（ａ）よりもエッチング時間がさらに経過し、Ａ－Ａ断面図の溝４０３ａがＢＯＸ層４０２に達した時点を示したものである。図１１（ａ）に示した溝４０３ｂは、図１１（ｂ）のＢ－Ｂ断面図に示すように、Ａ－Ａ断面図の溝４０３ａの場合とほぼ同時にＢＯＸ層４０２に達する。また、図１１（ａ）に示した凸状部４０３ｃも、溝４０３ａがＢＯＸ層４０２に達するのとほぼ同時にエッチングにより完全に除去される。その結果、隣り合うアルミマスクパターン４０５の間に溝幅の広い溝４０３ｄが形成されることになる。

　その後、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）等によりＢＯＸ層からリリースする工程を経て振動発電素子１の構造体が形成される。なお、上述のようにダミーパターン４０６はＤｅｅｐ－ＲＩＥによって除去されるが、ダミーパターン４０６の四方にＤｅｅｐ－ＲＩＥ時の保護膜が残る場合がある。しかし、その保護膜も、ＢＯＸ層からのリリース工程の際にリリースされて除去される。

　振動発電素子１の構造体が形成されたならば、櫛歯電極１１０，１２０に周知のＢ－Ｔ法によりエレクトレット膜を形成する。さらに、エレクトレットの安定性（耐湿性）向上のために、エレクトレット膜の表面に保護膜を形成するようにしても良い。保護膜としては種々のものがあるが、例えば、周知の原子層堆積法（ＡＬＤ法：Atomic Layer Deposition）により形成される酸化アルミニウム膜が好ましい。ここではＡＬＤ法による酸化アルミニウム膜の形成方法については説明を省略するが、例えば、日本国特開２０１６－８２８３６号公報に記載のような周知の製造方法で形成することができる。ＡＬＤ法によれば、本実施の形態の櫛歯電極のギャップ領域のように高アスペクト比の構造の表面に対しても均一な成膜性を示し、エレクトレットの電荷安定性の向上を図ることができる。

　ダミーパターン４０６の厚さは、例えば、以下のように設定すれば良い。まず、デバイス層４０３と同様のＳｉ基板にギャップ寸法Ｇ１の開口とギャップ寸法Ｇ２（＞Ｇ１）の開口とを有するアルミマスクパターンを形成する。次いで、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥによるエッチングを行い、ギャップ寸法Ｇ２の開口のエッチング溝深さが所望深さＨに達するまでの時間ｔ２(min)を計測する。さらにエッチングを行って、ギャップ寸法Ｇ１の開口のエッチング溝深さが所望深さＨに達するまでの時間ｔ１(min)を計測する。次いで、ダミーパターン４０６に用いるレジストのエッチングレート（エッチング速度）Ｒer(μm /min)を計測する。なお、レジストをエッチングする際の開口の幅（ギャップ寸法）はギャップ寸法Ｇ２とする。図５に示すように、櫛歯高さ（ｚ方向寸法）すなわちデバイス層４０３の厚さがＬ１である場合には、ダミーパターン４０６に必要な厚さＴはＴ＝(ｔ１－ｔ２)・Ｒer・(Ｌ１/Ｈ)で算出される。

　また、ギャップ寸法Ｇ１の開口からＳｉ基板をエッチングした場合のエッチングレートＲe1は、所望深さをＨ(μm)とすればＲe1＝Ｈ/ｔ１と表され、ギャップ寸法Ｇ２の開口からＳｉ基板をエッチングした場合のエッチングレートＲe2はＲe２＝Ｈ/ｔ２と表される。よって、エッチングレートＲe1，Ｒe2を用いれば、ダミーパターン４０６に必要な厚さＴはＴ＝(１/Ｒe1－１/Ｒe2)×Ｒer×Ｌ１で算出される。

　上述のように、本実施の形態では、図８に示すようにギャップ寸法の異なる開口が混在する場合に、図９（ａ）のようにギャップ寸法の大きな開口にダミーパターン４０６を配置する。それにより、櫛歯電極１１０，１２０が噛合している領域のようにギャップ寸法Ｇ１が小さくアスペクト比の大きな場合も、櫛歯電極１１０，１２０の根元領域のようにギャップ寸法Ｇ２が大きくアスペクト比の小さな場合も、図１１（ｂ）に示すように、ほぼ同じタイミングでエッチングがエッチングストップ層であるＢＯＸ層４０２に到達させることができる。その結果、櫛歯電極１１０，１２０の根元領域（ギャップ寸法Ｇ２）に、図７（ｂ）の符号Ｃで示すように溝壁部がノッチ状にエッチングされるのを防止することができ、設計通りの形状の櫛歯電極を形成することができる。

（ダミーパターン４０６の変形例）
　上述した図９（ａ）に示す例では隣り合うアルミマスクパターン４０５間の隙間に、間隔を設けてダミーパターン４０６を配置したが、ダミーパターン４０６の配置例はこれに限定されない。例えば、上述したダミーパターン４０６の代わりに図１２に示すようにダミーマスク４１６を形成しても良い。図１２の場合も図９の場合と同様に、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ－Ａ断面図、（ｃ）はＢ－Ｂ断面図である。

　ギャップ寸法がＧ１の櫛歯領域にはダミーマスク４１６は形成されておらず、図１２（ｂ）のＡ－Ａ断面図は図９（ｂ）の場合と同一である。一方、ギャップ寸法Ｇ２の櫛歯部分は、開口部だけでなくアルミマスクパターン４０４，４０５も覆われるようにレジストによるダミーマスク４１６が形成されている。図１２（ｃ）のＢ－Ｂ断面図に示すように、ダミーマスク４１６は、開口部分の厚さＴが図９（ｃ）に示したダミーパターン４０６の厚さＴと同一になるように形成されている。

　このようなダミーマスク４１６を形成した場合も、ギャップ寸法Ｇ１のギャップ領域のエッチングとギャップ寸法Ｇ２のギャップ領域のエッチングとを、ほぼ同じタイミングでＢＯＸ層４０２に到達させることができる。ただし、この変形例の場合、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥ時に余計な保護膜が残って、櫛歯部分に突起物のような形状で残留する場合がある。そのような場合、固定側の櫛歯電極１１０に可動側の櫛歯電極１２０がロックする可能性がある。また、上記リリース工程おいて、ＢＨＦによるエッチングで残留した保護膜を除去しようとした場合、エッチングされ過ぎてリリース工程時に櫛歯部分の形状が変形したり櫛歯部分が取れてしまったりするおそれがある。

　以上のように、本実施の形態および変形例では、開口幅の広いギャップ寸法Ｇ２の開口領域にダミーパターン４０６やダミーマスク４１６を配置することで、ギャップ寸法Ｇ２のエッチング完了タイミングと小さなギャップ寸法Ｇ１の領域のエッチング完了タイミングとをほぼ同一とすることが可能となる。その結果、固定側および可動側の櫛歯電極が互いに噛み合う構造の振動発電素子において、ギャップ領域のアスペクト比の高い櫛歯構造が正確な形状で形成可能となる。具体的には、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥ時の保護膜を除去するための洗浄工程、もしくはＯ２アッシング工程が追加で必要であるが、固定電極部１１１の一対の櫛歯電極１１０の側壁のうち、互いに対向する側壁をＢＯＸ層からハンドル層表面まで垂直な壁とすることができる。可動電極部１２１の一対の櫛歯電極１２０についても同様で、互いに対向する側壁をＢＯＸ層からハンドル層表面まで垂直な壁とすることができる。したがって、設計どおりの発電出力を得ることが可能となり、外部からの加速度が小さな振動条件においてもより大きな電力を取り出すことができる。

　一例として、同一櫛歯構造の振動発電素子において、図５のギャップ寸法Ｇ１のギャップ領域のアスペクト比を７．１から３３．１とした場合の発電電力を比較する。アスペクト比７．１の振動発電素子の場合の櫛歯電極はＧ１＝１４μｍ、Ｌ１＝１００μｍであって、負荷抵抗７ＭΩ（最適負荷接続）、共振周波数１２５Ｈｚ、加速度０．０５Ｇのときに発電電力６８μＷが得られた。アスペクト比３３．１とした場合の振動発電素子は、Ｇ１＝９μｍ、Ｌ１＝３００μｍであって、負荷抵抗５ＭΩ（最適負荷接続）、共振周波数１３９Ｈｚ、加速度０．２０Ｇのときに発電電力４３５μＷが得られた。すなわち、高アスペクト比とすることで、発電電力を６．４倍に向上させることができた。

　また、図１４は、最大変位時（最適負荷接続）の櫛歯アスペクト比と発電電力との関係の一例を示すグラフである。櫛歯高さＬ１を１００μｍに固定し、ギャップ寸法Ｇ１を２０μｍ、１５μｍ、１０μｍ、５μｍ、１μｍとした場合の最大発電電力を示す。いずれの場合も、振動発電素子１の櫛歯本数、帯電電圧、可動電極部１２１の最大変位等は同一に設定されている。

（１）上述のように、本実施の形態における振動発電素子１は、複数の櫛歯電極１１０を有し、前記複数の櫛歯電極１１０が対向するように配置される一対の固定電極部１１１と、前記一対の固定電極部１１１の間に配置され、各固定電極部１１１の前記複数の櫛歯電極１１０の間に挿入される一対の複数の櫛歯電極１２０を有する可動電極部１２１とを備え、櫛歯１１０および/または櫛歯電極１２０がエレクトレット化された３端子構造の振動発電素子であって、櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０との間の隙間領域ＧＡ（ギャップ領域）のギャップ寸法Ｇ１が２０μｍよりも小さく、隙間領域ＧＡの櫛歯高さ方向の寸法Ｌ１と隙間領域ＧＡのギャップ寸法Ｇ１との比であるアスペクト比Ｌ１/Ｇ１が２０以上である。

　図５のように互いに噛合する櫛歯構造の場合には、噛合領域ではギャップ寸法が小さくてアスペクト比が大きく、噛合していない櫛歯根元領域ではいギャップ寸法が大きくてアスペクト比が小さい。このようにアスペクト比が大きい箇所と小さい箇所とが混在する場合、図９（ａ），（ｃ）に示すようなダミーパターン４０６を櫛歯電極１１０間の開口部に配置することで、ギャップ寸法Ｇ１が２０μｍよりも小さく、かつ、アスペクト比が２０以上である櫛歯電極１１０，１２０を容易に形成することが可能となる。それにより、振動発電素子１の大型化を抑えつつ、発電電力を従来よりも大きくすることが可能となる。なお、櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０との間のギャップ領域のギャップ寸法Ｇ１およびアスペクト比に加えて、ギャップ寸法Ｇ２のギャップ領域のアスペクト比とギャップ寸法Ｇ１のギャップ領域のアスペクト比との差も考慮しても良い。

（２）上述した実施の形態では、固定電極部１１１の櫛歯電極１１０の表面に、永久電荷としての負電荷（ＳｉＯ－）イオンを含むＳｉＯ_２膜が形成されてエレクトレット化されているが、櫛歯電極１１０、１２０の少なくも一方の表面に永久電荷を含む熱酸化膜（シリコン酸化膜）を形成してもよい。この熱酸化膜は櫛歯電極１１０、１２０の基材であるシリコンを熱酸化して形成されるので、アスペクト比が高い場合でも櫛歯電極１１０、１２０の表面全体に均一なシリコン酸化膜を形成することができる。

（３）エレクトレットが形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）の表面には、エレクトレット保護膜５００（図３参照）が形成されている。エレクトレット保護膜５００を形成することで、エレクトレットの電荷安定性の向上を図ることができる。エレクトレット保護膜５００としては、例えば、原子層堆積法で堆積された酸化アルミニウムの保護膜がある。原子層堆積法によれば、本実施の形態の櫛歯電極のギャップ領域のように高アスペクト比の構造の表面に対しても均一な成膜性を示し、ギャップ領域のアスペクト比が高い櫛歯電極１１０，１２０であってもエレクトレット表面の全体に保護膜を均一に形成することができる。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特願２０１８－２１５６３０号（２０１８年１１月１６日出願）

　１…振動発電素子、１１…固定部、１２…可動部、１３…弾性支持部、１１０，１２０…櫛歯電極、１１１…固定電極部、１２１…可動電極部、Ｇ１，Ｇ２…ギャップ寸法、ＧＡ…隙間領域（ギャップ領域）

Claims

　複数の固定櫛歯を有し、前記複数の固定櫛歯が対向するように配置される一対の固定電極部と、
　前記一対の固定電極部の間に配置され、各固定電極部の前記複数の固定櫛歯の間に挿入される一対の複数の可動櫛歯を有する可動電極部とを備え、
　前記固定櫛歯および/または前記可動櫛歯がエレクトレット化された３端子構造の振動発電素子であって、
　前記固定櫛歯と前記可動櫛歯との間の隙間領域のギャップ寸法が２０μｍよりも小さく、
　前記隙間領域の櫛歯高さ方向の寸法と前記隙間領域のギャップ寸法との比であるアスペクト比が２０以上である、振動発電素子。
　請求項１に記載の振動発電素子において、
　前記固定櫛歯および前記可動櫛歯はシリコンにより形成され、
　前記固定櫛歯および前記可動櫛歯の少なくも一方の表面には、永久電荷を含むシリコン酸化膜が形成されている、振動発電素子。
　請求項２に記載の振動発電素子において、
　前記シリコン酸化膜の表面には、エレクトレット保護膜が形成されている、振動発電素子。