WO2022130809A1 - 振動発電素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ベース部に固定されている固定電極と、前記固定電極に対して移動可能な可動電極と、一端が前記ベース部に固定されるとともに他端が前記可動電極に固定され、前記可動電極を弾性的に支持する弾性支持部と、を備える振動発電素子の前記弾性支持部は、連結部、一端が前記連結部に固定されるとともに他端が前記可動電極に固定され、前記可動電極が振動する第１方向と直交する第２方向に延在する第１弾性部、および、一端が前記連結部に固定されるとともに他端が前記ベース部に固定され、前記第２方向に延在する第２弾性部、をそれぞれ有し、前記可動電極の前記第１方向の両側にそれぞれ配置された複数の弾性構造体と、前記複数の弾性構造体に含まれる前記連結部を互いに接続する接続部材と、を含む。
Description
本発明は、振動発電素子およびその製造方法に関する。
環境振動からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)振動素子である振動発電素子を用いて環境振動から発電を行う手法が知られている。
振動発電素子では、可動電極をカンチレバーのような弾性支持部で支持し、可動電極が固定電極に対して振動することで発電を行っている（特許文献１参照）。
振動発電素子では、可動電極をカンチレバーのような弾性支持部で支持し、可動電極が固定電極に対して振動することで発電を行っている（特許文献１参照）。
従来の振動発電素子においては、発電量を大きくすることを目的にエレクトレットの帯電電圧を高めると、可動電極および固定電極間にはたらく静電力の影響が強まることによって、可動電極を支持する弾性支持部に歪みが生じやすくなるという課題があった。弾性支持部の歪みが大きくなると、可動電極が固定電極に吸着して発電できなくなる。
本発明の第１の態様による振動発電素子は、ベース部に固定されている固定電極と、前記固定電極に対して移動可能な可動電極と、一端が前記ベース部に固定されるとともに他端が前記可動電極に固定され、前記可動電極を弾性的に支持する弾性支持部と、を備える振動発電素子であって、前記弾性支持部は、連結部、一端が前記連結部に固定されるとともに他端が前記可動電極に固定され、前記可動電極が振動する第１方向と直交する第２方向に延在する第１弾性部、および、一端が前記連結部に固定されるとともに他端が前記ベース部に固定され、前記第２方向に延在する第２弾性部、をそれぞれ有し、前記可動電極の前記第１方向の両側にそれぞれ配置された複数の弾性構造体と、前記複数の弾性構造体に含まれる前記連結部を互いに接続する接続部材と、を含む。
本発明の第２の態様による振動発電素子の製造方法は、第１の態様による振動発電素子を製造するための製造方法であって、第１層、第２層および第３層が設けられた基板を用意する第１工程と、前記基板の前記第１層の側から前記第１層の一部をエッチングして、前記固定電極、前記可動電極、および前記接続部材を除く前記弾性支持部を形成する第２工程と、前記基板の前記第３層の側から前記第３層の一部をエッチングして、前記ベース部および前記接続部材を形成する第３工程と、前記第１工程および前記第２工程の終了後に、前記第２層の一部をエッチングして、少なくとも前記固定電極と前記接続部材との分離を行う第４工程と、を備える。
本発明の第２の態様による振動発電素子の製造方法は、第１の態様による振動発電素子を製造するための製造方法であって、第１層、第２層および第３層が設けられた基板を用意する第１工程と、前記基板の前記第１層の側から前記第１層の一部をエッチングして、前記固定電極、前記可動電極、および前記接続部材を除く前記弾性支持部を形成する第２工程と、前記基板の前記第３層の側から前記第３層の一部をエッチングして、前記ベース部および前記接続部材を形成する第３工程と、前記第１工程および前記第２工程の終了後に、前記第２層の一部をエッチングして、少なくとも前記固定電極と前記接続部材との分離を行う第４工程と、を備える。
本発明によれば、ＭＥＭＳ振動発電素子の弾性支持部に関し、電極間の静電力に起因する歪みを抑えることができる。
以下、図面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の一例を説明する平面図である。図１および以降のいくつかの図では、デカルト座標系と呼ばれる右手系の直交座標系で、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の向きを表すものとする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、相互に直交する方向であり、Ｘ方向およびＹ方向は、後に詳述する可動電極が発電時に振動する平面と平行な方向であり、Ｚ方向は、上記振動する平面と直交する方向である。
図１は、振動発電素子１の一例を説明する平面図である。図１および以降のいくつかの図では、デカルト座標系と呼ばれる右手系の直交座標系で、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の向きを表すものとする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、相互に直交する方向であり、Ｘ方向およびＹ方向は、後に詳述する可動電極が発電時に振動する平面と平行な方向であり、Ｚ方向は、上記振動する平面と直交する方向である。
振動発電素子１の材質はＳｉであり、例えば、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。本実施形態の振動発電素子１は、一辺が１０～数１０ｍｍ程度の微小な発電素子である。このような発電素子は、例えば、工場内で稼働するコンプレッサー等の機械振動（環境振動）で発電し、モニタリング用のセンサや無線端末等に電力を供給するという用途で使用される。
本実施形態で用いるＳＯＩ基板は、図４（ａ）を参照して後述するように、下層であるＳｉの支持層と、中層であるＳｉＯ２の犠牲層と、上層であるＳｉの活性層とがＺ方向に積層された３層構造の基板である。
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よい。
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よい。
図１において、振動発電素子１は、ベース部２と、ベース部２およびベース部２と同じ支持層に形成されている領域２６の上に固定された４個の固定電極３と、固定電極３に対応して設けられる可動電極４と、可動電極４を弾性的に支持する４個の弾性構造体５と、ベース部２の上に固定されて４個の弾性構造体５を支持する２個の固定部６ａと、を備えている。図１では、ＳＯＩ基板の支持層が下層に設けられており、ベース部２は支持層に形成されている。４個の固定電極３、可動電極４、４個の弾性構造体５および、２個の固定部６ａは、いずれも上層の活性層に形成されている。
可動電極４は、図示左右両端の２個の固定部６ａに、４個の弾性構造体５を介して接続されている。各固定電極３には電極パッド３５が設けられ、図示右端側の固定部６ａにも電極パッド６５が設けられている。
可動電極４は、図示左右両端の２個の固定部６ａに、４個の弾性構造体５を介して接続されている。各固定電極３には電極パッド３５が設けられ、図示右端側の固定部６ａにも電極パッド６５が設けられている。
（固定電極および可動電極）
４個の固定電極３の各々は、Ｘ方向に延びる固定櫛歯３０がＹ方向に複数並ぶ櫛歯列を有している。可動電極４は、４個の固定電極３に対応する４個の可動櫛歯群４ａを有している。４個の可動櫛歯群４ａの各々は、Ｘ方向に延びる可動櫛歯４０がＹ方向に複数並ぶ櫛歯列を成している。固定電極３に形成された複数の固定櫛歯３０と、その固定電極３に対応する可動櫛歯群４ａの複数の可動櫛歯４０とは、静止状態（中立状態）においてＸ方向に所定の噛合長をもって、Ｙ方向に所定の隙間を介して互いに噛合するように配置されている。
４個の固定電極３の各々は、Ｘ方向に延びる固定櫛歯３０がＹ方向に複数並ぶ櫛歯列を有している。可動電極４は、４個の固定電極３に対応する４個の可動櫛歯群４ａを有している。４個の可動櫛歯群４ａの各々は、Ｘ方向に延びる可動櫛歯４０がＹ方向に複数並ぶ櫛歯列を成している。固定電極３に形成された複数の固定櫛歯３０と、その固定電極３に対応する可動櫛歯群４ａの複数の可動櫛歯４０とは、静止状態（中立状態）においてＸ方向に所定の噛合長をもって、Ｙ方向に所定の隙間を介して互いに噛合するように配置されている。
(弾性支持部)
弾性支持部５０は、４個の弾性構造体５によって構成されている。可動電極４の図示右端部は、４個の弾性構造体５のうちの右側２個の弾性構造体５により支持され、可動電極４の図示左端部は、４個の弾性構造体５のうちの左側２個の弾性構造体５により支持されている。
各弾性構造体５は、第１弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ｂおよび５１ｃと、第２弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ａおよび５１ｄとからなる４個のＭＥＭＳ弾性構造を備えている。弾性構造体５に備わる４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄは、弾性構造体５を構成する結合部５２にそれぞれ接続（固定）されている。
弾性支持部５０は、４個の弾性構造体５によって構成されている。可動電極４の図示右端部は、４個の弾性構造体５のうちの右側２個の弾性構造体５により支持され、可動電極４の図示左端部は、４個の弾性構造体５のうちの左側２個の弾性構造体５により支持されている。
各弾性構造体５は、第１弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ｂおよび５１ｃと、第２弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ａおよび５１ｄとからなる４個のＭＥＭＳ弾性構造を備えている。弾性構造体５に備わる４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄは、弾性構造体５を構成する結合部５２にそれぞれ接続（固定）されている。
例えば、図示左上の弾性構造体５に備わる４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄの場合、内側に配置された２個のＭＥＭＳ弾性構造５１ｂおよび５１ｃの図示下端側が可動電極４に固定されるとともに、図示上端側が結合部５２に固定されている。
また、４個のＭＥＭＳ弾性構造５１のうちの左端に配置されたＭＥＭＳ弾性構造５１ａの図示下端側がベース部２上に固定された図示左端側の固定部６ａに固定されると共に、図示上端側が結合部５２に固定されている。
さらにまた、４個のＭＥＭＳ弾性構造５１のうちの右端に配置されたＭＥＭＳ弾性構造５１ｄの図示下端側がベース部２と同じ支持層に形成されている領域２６上に固定された図示左上の固定部６ｂに固定されると共に、図示上端側が結合部５２に固定されている。
また、４個のＭＥＭＳ弾性構造５１のうちの左端に配置されたＭＥＭＳ弾性構造５１ａの図示下端側がベース部２上に固定された図示左端側の固定部６ａに固定されると共に、図示上端側が結合部５２に固定されている。
さらにまた、４個のＭＥＭＳ弾性構造５１のうちの右端に配置されたＭＥＭＳ弾性構造５１ｄの図示下端側がベース部２と同じ支持層に形成されている領域２６上に固定された図示左上の固定部６ｂに固定されると共に、図示上端側が結合部５２に固定されている。
このように固定された４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄを備えた弾性構造体５は、バネとして機能する。すなわち、弾性構造体５を介して支持された可動電極４は、４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄのうちの内側に配置された２個のＭＥＭＳ弾性構造５１ｂおよび５１ｃにより固定されている結合部５２に対してＸ方向に変位する一方、結合部５２は、４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄのうちの図示左右両端の２個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａおよび５１ｄにより固定されているベース部２（領域２６）に対してＸ方向に変位する。
図示右上、左下、右下の各弾性構造体５に備わる各４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄについても、上記図示左上の弾性構造体５に備わる４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄと同様の構造となっている。
図示右上、左下、右下の各弾性構造体５に備わる各４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄについても、上記図示左上の弾性構造体５に備わる４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄと同様の構造となっている。
固定櫛歯３０および可動櫛歯４０の少なくとも一方にはエレクトレットが形成されており、可動電極４の振動により固定櫛歯３０と可動櫛歯４０との噛合長が変化して発電が行われる。
なお、固定櫛歯３０および可動櫛歯４０のそれぞれにエレクトレットを形成してもよい。また、本明細書において、可動電極４は、弾性構造体５により保持され、弾性構造体５の変形により、可動櫛歯４０と一体的に振動方向（Ｘ方向）に振動する部材をいう。
なお、固定櫛歯３０および可動櫛歯４０のそれぞれにエレクトレットを形成してもよい。また、本明細書において、可動電極４は、弾性構造体５により保持され、弾性構造体５の変形により、可動櫛歯４０と一体的に振動方向（Ｘ方向）に振動する部材をいう。
可動電極４とベース部２とは、上述したようにバネとして機能する弾性構造体５によってバネ・マス共振系を構成する。外部からの振動が振動発電素子１に加わると、共振（正弦波振動の場合）や過渡応答（インパルス振動の場合）により各弾性構造体５のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄが変形して、可動電極４がＸ方向に振動する。固定櫛歯３０に対して可動櫛歯４０が振動すると誘導電流が発生し、これを電極パッド３５および６５から外部に取り出すことで発電素子として利用される。
本実施形態の振動発電素子１は、例えば、固定電極３の固定櫛歯３０の表面に、公知のエレクトレット形成処理によりエレクトレット膜が生成されている。エレクトレット膜は、固定櫛歯３０の表面のＳｉＯ２膜が、電気二重層を有する状態に変化した状態をいう。エレクトレット膜が形成された固定櫛歯３０のＳｉ基板にはプラス電荷が生じるとともに、ＳｉＯ２膜のＳｉ基板との界面近傍にはマイナス電荷が構成される。
（帯電電圧）
本実施形態では、エレクトレット形成処理の過程で可動電極４と固定電極３との間に外部から直流電圧Ｖ０が印加された場合に、上述した可動櫛歯４０と固定櫛歯３０との間のＹ方向の隙間の電場をゼロにするような電圧Ｖ０のことを、帯電電圧と定義する。つまり、電気二重層の電位差は帯電電圧と一致するとともに、エレクトレット形成処理において外部電源から印加する電圧Ｖ０とも等しい。
本実施形態では、エレクトレット形成処理の過程で可動電極４と固定電極３との間に外部から直流電圧Ｖ０が印加された場合に、上述した可動櫛歯４０と固定櫛歯３０との間のＹ方向の隙間の電場をゼロにするような電圧Ｖ０のことを、帯電電圧と定義する。つまり、電気二重層の電位差は帯電電圧と一致するとともに、エレクトレット形成処理において外部電源から印加する電圧Ｖ０とも等しい。
（プルイン現象）
図示した振動発電素子１において、発電時に可動電極４が振動する方向はＸ方向である。振動発電素子１は、上記帯電電圧が高いほど発電量を大きくすることができる。一方で、上記帯電電圧が高いほど可動櫛歯４０と固定櫛歯３０との間に電極を引き付け合う静電引力が発生する。上述したように、互いに噛合している固定櫛歯３０と、その固定櫛歯３０に対応する可動櫛歯４０とは、静止状態（中立状態）においてＹ方向に所定の隙間を有する。Ｙ方向は、発電時に可動電極４が振動する平面において振動方向（Ｘ方向）と直交する方向である。
静電引力が大き過ぎると、可動櫛歯４０が固定櫛歯３０に吸着して可動電極４の振動を妨げ、発電できない状態になる。このような現象はプルイン現象と称され、プルイン現象を発生させる帯電電圧はプルイン電圧Ｖｐと称される。
図示した振動発電素子１において、発電時に可動電極４が振動する方向はＸ方向である。振動発電素子１は、上記帯電電圧が高いほど発電量を大きくすることができる。一方で、上記帯電電圧が高いほど可動櫛歯４０と固定櫛歯３０との間に電極を引き付け合う静電引力が発生する。上述したように、互いに噛合している固定櫛歯３０と、その固定櫛歯３０に対応する可動櫛歯４０とは、静止状態（中立状態）においてＹ方向に所定の隙間を有する。Ｙ方向は、発電時に可動電極４が振動する平面において振動方向（Ｘ方向）と直交する方向である。
静電引力が大き過ぎると、可動櫛歯４０が固定櫛歯３０に吸着して可動電極４の振動を妨げ、発電できない状態になる。このような現象はプルイン現象と称され、プルイン現象を発生させる帯電電圧はプルイン電圧Ｖｐと称される。
上述した可動櫛歯４０および固定櫛歯３０間の静電引力に抗して固定櫛歯３０および可動櫛歯４０間の吸着を避けるためには、ＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄを有する弾性構造体５のＹ方向の反発力を高くする、換言すると、弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数を高くすることが望ましい。そのために本実施形態では、弾性構造体５において４個のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄが接続されている結合部５２に生じる歪みを抑制することを目的として、弾性構造体５の結合部５２に対し、補強部材として接続部材２５を固定する。接続部材２５は、図示上側に配置された左右２個の弾性構造体５の各結合部５２を相互に接続（固定）する。さらに、図示下側に配置された左右２個の弾性構造体５にも接続部材２５を固定することにより、図示下側の左右２個の結合部５２を相互に接続（固定）する。
（接続部材）
接続部材２５の詳細について説明する。図２（ａ）は、図１のうち破線Ｑで囲まれる付近を拡大した図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面をマイナスＹ方向からプラス方向に見た模式図である。一点鎖線Ａ－Ａは、Ｘ軸と平行で接続部材２５を通る直線である。
接続部材２５の詳細について説明する。図２（ａ）は、図１のうち破線Ｑで囲まれる付近を拡大した図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面をマイナスＹ方向からプラス方向に見た模式図である。一点鎖線Ａ－Ａは、Ｘ軸と平行で接続部材２５を通る直線である。
図２（ａ）および図２（ｂ）において、接続部材２５、ベース部２および領域２６は、支持層に形成されている。また、弾性構造体５、固定電極３および可動電極４は、活性層に形成されている。接続部材２５は、図１において図示上側に配置された左右２個の弾性構造体５の各結合部５２を機械的につなぐ。
弾性構造体５の結合部５２のうちの上面視で（すなわちＺ方向に見て）接続部材２５と重なる領域は、マイナスＺ方向から犠牲層３８を介して接続部材２５と機械的に固定されている。
接続部材２５のうちの上面視で固定電極３と交差する領域（破線で囲むＥ部）は、Ｚ方向に間隔ｇだけ離れている。固定電極３と接続部材２５との間のＺ方向の間隔ｇは１～５μｍ程度であり、犠牲層の厚さに相当する。
弾性構造体５の結合部５２のうちの上面視で（すなわちＺ方向に見て）接続部材２５と重なる領域は、マイナスＺ方向から犠牲層３８を介して接続部材２５と機械的に固定されている。
接続部材２５のうちの上面視で固定電極３と交差する領域（破線で囲むＥ部）は、Ｚ方向に間隔ｇだけ離れている。固定電極３と接続部材２５との間のＺ方向の間隔ｇは１～５μｍ程度であり、犠牲層の厚さに相当する。
このように構成したので、接続部材２５によって接続されている左右２個の弾性構造体５は、いずれも接続部材２５によって補強され、各結合部５２で発生する歪が抑制される。
なお、固定電極３のＥ部には、固定電極３をＺ方向に貫通する複数のエッチング用の孔Ｈが設けられている。孔Ｈはリリースホールとも称される。リリースホールの数および形状は、図示した数および丸形状でなくてもよく、形状は楕円形状でも矩形状であってもよい。
上述した接続部材２５と同様の接続部材は、振動発電素子１において可動電極４の重心Ｏを通るＸ軸と平行な直線Ｐ１に対して、接続部材２５の位置と線対称の関係を有する位置にも設けられる。すなわち、図１において図示下側に配置された左右２個の弾性構造体５の結合部５２にも、２個の結合部５２を相互に接続する接続部材２５が設けられる。
（Ｙ方向のバネ定数）
以上のように構成した振動発電素子１の弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数ｋｙを例示すると、以下のとおりである。
ｋｙ＝５Ｎ／１０μｍ＝５００ｋＮ/ｍ …（１）
以上のように構成した振動発電素子１の弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数ｋｙを例示すると、以下のとおりである。
ｋｙ＝５Ｎ／１０μｍ＝５００ｋＮ/ｍ …（１）
比較のために、接続部材２５を設けない場合の弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数ｋｙ(p)を例示すると、以下のとおりである。
ｋｙ(p)＝５Ｎ／１３μｍ＝３８４ｋＮ/ｍ …（２）
ｋｙ(p)＝５Ｎ／１３μｍ＝３８４ｋＮ/ｍ …（２）
接続部材２５を設けたことにより、設けない場合と比べて弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数ｋｙを約３０パーセント高くすることができている。
（プルイン電圧）
一般に、振動発電素子１においてプルイン現象を発生させるプルイン電圧Ｖｐ、すなわちプルイン現象を発生させる帯電電圧は、次式（３）によって表される。
Ｖｐ＝√（ｋｙ×α） …（３）
ただし、ｋｙは弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数、αは櫛歯（固定櫛歯３０および可動櫛歯４０）の寸法で決まる定数である。
一般に、振動発電素子１においてプルイン現象を発生させるプルイン電圧Ｖｐ、すなわちプルイン現象を発生させる帯電電圧は、次式（３）によって表される。
Ｖｐ＝√（ｋｙ×α） …（３）
ただし、ｋｙは弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数、αは櫛歯（固定櫛歯３０および可動櫛歯４０）の寸法で決まる定数である。
上式（３）から明らかなように、プルイン電圧Ｖｐは√(ｋｙ)に比例して大きくなるので、弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数ｋｙを高めることが、プルイン電圧Ｖｐを高めることにつながる。上式（１）のバネ定数ｋｙを式（３）へ代入した場合のプルイン電圧Ｖｐを例示すると、約７１４Ｖである。また、比較のために、上式（２）のバネ定数ｋｙ(p)を式（３）へ代入した場合のプルイン電圧Ｖｐを例示すると、約６２５Ｖである。
一般に、振動発電素子１のプルイン現象の発生を防ぐために、上記帯電電圧が上記プルイン電圧Ｖｐよりも低く設定される。そして、公知のエレクトレット形成処理（例えば、特開２０１４－５０１９６号公報に記載の形成処理）により、固定電極３の固定櫛歯３０の表面にエレクトレット膜が生成される。
具体的には、例えば安全率２倍を設定し、７１４÷２＝３５７Ｖの帯電電圧が得られるようなエレクトレット膜を生成する。換言すると、エレクトレット形成処理の過程で可動電極４と固定電極３との間に外部から直流電圧Ｖ０＝３５７Ｖを印加する。
具体的には、例えば安全率２倍を設定し、７１４÷２＝３５７Ｖの帯電電圧が得られるようなエレクトレット膜を生成する。換言すると、エレクトレット形成処理の過程で可動電極４と固定電極３との間に外部から直流電圧Ｖ０＝３５７Ｖを印加する。
（振動発電素子の製造方法）
以下、振動発電素子１の製造方法の一例について、図３および図４を参照して説明する。図３は、振動発電素子１の製造手順を例示するフローチャートである。図４（ａ）～図４（ｄ）は、製造段階の生成物を示す模式図である。図４（ａ）～図４（ｄ）は、それぞれが図２（ｂ）のＡ－Ａ断面図で例示する範囲に対応しており、わかりやすくするために活性層および支持層の断面をハッチングで示す。
以下、振動発電素子１の製造方法の一例について、図３および図４を参照して説明する。図３は、振動発電素子１の製造手順を例示するフローチャートである。図４（ａ）～図４（ｄ）は、製造段階の生成物を示す模式図である。図４（ａ）～図４（ｄ）は、それぞれが図２（ｂ）のＡ－Ａ断面図で例示する範囲に対応しており、わかりやすくするために活性層および支持層の断面をハッチングで示す。
（工程１）
図３のステップＳ１０において、作業者または製造装置は、図４（ａ）に示すＳＯＩ基板を用意する。
図３のステップＳ１０において、作業者または製造装置は、図４（ａ）に示すＳＯＩ基板を用意する。
（工程２）
図３のステップＳ２０において、作業者または製造装置は、ＳＯＩ基板の上層である活性層に対し、図４（ｂ）に図示した範囲において弾性構造体５の結合部５２および固定電極３等のパターンを形成するとともに、図４（ｂ）に図示していない範囲において固定電極３、可動電極４、弾性構造体５および固定部６ａ等のパターンを形成するため、ＳＦ６またはＣＦ４等のフッ素を含むガスを用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によりエッチングする。
図３のステップＳ２０において、作業者または製造装置は、ＳＯＩ基板の上層である活性層に対し、図４（ｂ）に図示した範囲において弾性構造体５の結合部５２および固定電極３等のパターンを形成するとともに、図４（ｂ）に図示していない範囲において固定電極３、可動電極４、弾性構造体５および固定部６ａ等のパターンを形成するため、ＳＦ６またはＣＦ４等のフッ素を含むガスを用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によりエッチングする。
具体的には、活性層全面に不図示のレジストを形成した上で、部分的にレジストを除去して開口部を形成する。開口部には、エッチング用の孔Ｈ（リリースホール）の開口も含む。レジストの除去は、例えば、露光および現像等を含むフォトリソグラフィ工程により行う。
そして、残したレジストをエッチングマスクとして活性層をエッチングすることにより、図４（ｂ）に示すように活性層をＺ方向に貫通するパターンを形成する。その後、ＳＰＭ（Sulfuric acid Peroxide Mixture）洗浄により残っているレジスト等を除去する。
なお、本実施形態では工程２にドライエッチを採用する例を説明するが、工程２にウェットエッチを採用してもよい。
（工程３）
ステップＳ３０において、作業者または製造装置は、ＳＯＩ基板の下層である支持層に対し、図４（ｃ）に図示した範囲においてベース部２の領域２０および接続部材２５等のパターンを形成するとともに、図４（ｃ）に図示していない範囲においてベース部２の領域２０および領域２６等のパターンを形成するため、ステップＳ２０の場合と同様にＲＩＥによりエッチングする。
ステップＳ３０において、作業者または製造装置は、ＳＯＩ基板の下層である支持層に対し、図４（ｃ）に図示した範囲においてベース部２の領域２０および接続部材２５等のパターンを形成するとともに、図４（ｃ）に図示していない範囲においてベース部２の領域２０および領域２６等のパターンを形成するため、ステップＳ２０の場合と同様にＲＩＥによりエッチングする。
具体的には、支持層全面に不図示のレジストを形成した上で、部分的にレジストを除去し、開口部を形成する。レジストの除去は、活性層の場合と同様に、フォトリソグラフィ工程により行う。
そして、残したレジストをエッチングマスクとして支持層をエッチングすることにより、図４（ｃ）に示すように支持層をＺ方向に貫通するパターンを形成する。その後、ＳＰＭ洗浄により残っているレジスト等を除去する。
なお、本実施形態では工程３にドライエッチを採用する例を説明するが、工程３にウェットエッチを採用してもよい。
（工程４）
ステップＳ４０において、作業者または製造装置は、ＳＯＩ基板の中層である犠牲層を、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウェットエッチングにより除去する。ＢＨＦにより、上述した工程２および工程３によって犠牲層の上側（活性層側）および下側（支持層側）の少なくとも一方が露出している領域の犠牲層がエッチングされ、図４（ｄ）に示すように活性層のみまたは支持層のみが残される。上述した工程２および工程３の後に、上側（活性層側）および下側（支持層側）のいずれも露出しない領域の犠牲層は、ウェットエッチング後も残って活性層と支持層を機械的に固定する状態を維持する（犠牲層３８）。
ステップＳ４０において、作業者または製造装置は、ＳＯＩ基板の中層である犠牲層を、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウェットエッチングにより除去する。ＢＨＦにより、上述した工程２および工程３によって犠牲層の上側（活性層側）および下側（支持層側）の少なくとも一方が露出している領域の犠牲層がエッチングされ、図４（ｄ）に示すように活性層のみまたは支持層のみが残される。上述した工程２および工程３の後に、上側（活性層側）および下側（支持層側）のいずれも露出しない領域の犠牲層は、ウェットエッチング後も残って活性層と支持層を機械的に固定する状態を維持する（犠牲層３８）。
ここで、工程２および工程３の後に犠牲層の上側（活性層側）および下側（支持層側）の双方が露出していなくても、上層である活性層にエッチング用の孔Ｈ（リリースホール）が設けられている領域に対応する犠牲層は、リリースホールを介してエッチングされる。本実施形態では、Ｅ部に対応する犠牲層等が、リリースホールを介してエッチングされる。このようなエッチング手法により、固定電極３のうちＥ部に対応する領域が接続部材２５と分離されるとともに、図示していない範囲においても固定電極３が接続部材２５と分離される。
なお、本実施形態では工程４にウェットエッチを採用する例を説明するが、工程４にドライエッチを採用してもよい。
（工程５）
上記工程１から工程４に例示した手順により、エレクトレット未形成の振動発電素子１のＭＥＭＳ加工体が形成される。工程５としてのステップＳ５０において、作業者または製造装置は、公知のエレクトレット形成処理により、固定電極３および／または可動電極４にエレクトレットを形成する。
上記工程１から工程４に例示した手順により、エレクトレット未形成の振動発電素子１のＭＥＭＳ加工体が形成される。工程５としてのステップＳ５０において、作業者または製造装置は、公知のエレクトレット形成処理により、固定電極３および／または可動電極４にエレクトレットを形成する。
以上説明した工程１から工程５により、振動発電素子１が製造される。
以上説明した実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
（１）振動発電素子１は、ベース部２に固定されている固定電極３と、固定電極３に対して移動可能な可動電極４と、一端がベース部２に固定されるとともに他端が可動電極４に固定され、可動電極４を弾性的に支持する弾性支持部５０と、を備える。そして、弾性支持部５０は、結合部５２、一端が結合部５２に固定されるとともに他端が可動電極４に固定され、可動電極４が振動するＸ方向と直交するＹ方向に延在する第１弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ｂと５１ｃ、および、一端が結合部５２に固定されるとともに他端がベース部２（領域２６）に固定され、Ｙ方向に延在する第２弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ａおよび５１ｄ、をそれぞれ有し、可動電極４のＸ方向の両側にそれぞれ配置された複数の弾性構造体５と、複数の弾性構造体５に含まれる結合部５２を互いに接続する接続部材２５とを含む。
（１）振動発電素子１は、ベース部２に固定されている固定電極３と、固定電極３に対して移動可能な可動電極４と、一端がベース部２に固定されるとともに他端が可動電極４に固定され、可動電極４を弾性的に支持する弾性支持部５０と、を備える。そして、弾性支持部５０は、結合部５２、一端が結合部５２に固定されるとともに他端が可動電極４に固定され、可動電極４が振動するＸ方向と直交するＹ方向に延在する第１弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ｂと５１ｃ、および、一端が結合部５２に固定されるとともに他端がベース部２（領域２６）に固定され、Ｙ方向に延在する第２弾性部としてのＭＥＭＳ弾性構造５１ａおよび５１ｄ、をそれぞれ有し、可動電極４のＸ方向の両側にそれぞれ配置された複数の弾性構造体５と、複数の弾性構造体５に含まれる結合部５２を互いに接続する接続部材２５とを含む。
このように構成したので、可動櫛歯４０および固定櫛歯３０間の静電引力に抗して固定櫛歯３０および可動櫛歯４０間の吸着を避ける状況で、弾性構造体５の複数のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄが固定されている結合部５２に生じる歪みが、接続部材２５を設けない場合と比べて抑制される。この結果、弾性構造体５のＹ方向におけるバネ定数ｋｙが高まってより大きな静電引力に耐えられる。換言すると、振動発電素子１のプルイン電圧Ｖｐを高めることができる。そのため、振動発電素子１の発電量を大きくすることができる。
（２）上記（１）の振動発電素子１において、接続部材２５と固定電極３とは、Ｘ方向およびＹ方向と直交するＺ方向から見て交差し、かつ、Ｚ方向に離間している。
このように構成したので、発電時に振動する可動電極４と接触しないように接続部材２５を設けることができる。
（３）上記振動発電素子１において、接続部材２５は、ベース部２と同じ支持層の材質によって構成される。
このように構成したので、支持層と同等の強度を有する接続部材２５を得ることができる。
（４）上記（１）から（３）の振動発電素子１において、固定電極３、可動電極４、および接続部材２５を除く弾性支持部５０は、活性層、犠牲層および支持層が設けられたＳＯＩ基板の活性層に形成され、ベース部２および接続部材２５は、ＳＯＩ基板の支持層に形成されている。
このように構成したので、各部材を適切に活性層または支持層に設けることができる。
このように構成したので、各部材を適切に活性層または支持層に設けることができる。
（５）上記（４）の振動発電素子１において、接続部材２５は、犠牲層３８を介して複数の弾性構造体５に含まれる結合部５２に固定されている。
このように構成したので、複数の弾性構造体５の結合部５２と適切に固定された接続部材２５を得ることができる。
（６）上述した振動発電素子１の製造方法において、第１層としての活性層、第２層としての犠牲層および第３層としての支持層が設けられたＳＯＩ基板を用意する第１工程と、ＳＯＩ基板の活性層の側から活性層の一部をエッチングして、固定電極３、可動電極４、および接続部材２５を除く弾性支持部５０を形成する第２工程と、ＳＯＩ基板の支持層の側から支持層の一部をエッチングして、ベース部２および接続部材２５を形成する第３工程と、第２工程および第３工程の終了後に、犠牲層の一部をエッチングして、少なくとも固定電極３と接続部材２５との分離を行う第４工程と、を備える。
このように構成したので、弾性支持部５０の弾性構造体５において複数のＭＥＭＳ弾性構造５１ａ～５１ｄが固定されている結合部５２に生じる歪みを抑えるための接続部材２５を、結合部５２に適切に固定することができる。
（７）上記（６）の振動発電素子１の製造方法において、複数の弾性構造体５の各結合部５２および接続部材２５は、第４工程で残される犠牲層３８を介して一体に形成される。
このように構成したので、接続部材２５を結合部５２に適切に固定することができる。
（８）上記（７）の振動発電素子１の製造方法において、第４工程は、第２工程により活性層が除去された領域と、第３工程により支持層が除去された領域と、固定電極３および接続部材２５が対向する対向領域と、においてそれぞれ犠牲層を除去する。
このように構成したので、各部を適切に形成することができる。
（変形例）
以上で説明した実施形態においては、基板として、Ｓｉの支持層と、ＳｉＯ２の犠牲層と、Ｓｉの活性層とを有する基板（ＳＯＩ基板）を用いるとしたが、基板はＳＯＩ基板に限られるものではない。基板は、活性層としての第１層と、犠牲層としての第２層と、支持層としての第３層とが積層され、第２層の耐エッチング特性が、第１層および第３層の耐エッチング特性と異なる基板であれば良い。このうち、第２層または第３層は、絶縁性の材料からなる層であっても良い。
以上で説明した実施形態においては、基板として、Ｓｉの支持層と、ＳｉＯ２の犠牲層と、Ｓｉの活性層とを有する基板（ＳＯＩ基板）を用いるとしたが、基板はＳＯＩ基板に限られるものではない。基板は、活性層としての第１層と、犠牲層としての第２層と、支持層としての第３層とが積層され、第２層の耐エッチング特性が、第１層および第３層の耐エッチング特性と異なる基板であれば良い。このうち、第２層または第３層は、絶縁性の材料からなる層であっても良い。
一例として、基板は、サファイヤの第３層の上に、ＳｉＯ２の第２層、およびＳｉの第１層が形成されたものであっても良い。他の例として、金属の第３層の上に、酸化金属の第２層、および金属の第１層が形成されたものであっても良い。
また、上述したエッチングプロセスで使用するガス等は、一例であって、他のガスを使用しても良い。
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。実施形態における種々の部分の数および形状等は例示であって、他の任意の数および任意の形状でも良い。
また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。
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。
１…振動発電素子、２…ベース部、３…固定電極、４…可動電極、５…弾性構造体、６ａ，６ｂ…固定部、２０，２６，Ｅ…領域、２５…接続部材、３８…犠牲層、５０…弾性支持部、５１ａ～５１ｄ…ＭＥＭＳ弾性構造、５２…結合部
Claims (8)
- ベース部に固定されている固定電極と、
前記固定電極に対して移動可能な可動電極と、
一端が前記ベース部に固定されるとともに他端が前記可動電極に固定され、前記可動電極を弾性的に支持する弾性支持部と、を備える振動発電素子であって、
前記弾性支持部は、
連結部、一端が前記連結部に固定されるとともに他端が前記可動電極に固定され、前記可動電極が振動する第１方向と直交する第２方向に延在する第１弾性部、および、一端が前記連結部に固定されるとともに他端が前記ベース部に固定され、前記第２方向に延在する第２弾性部、をそれぞれ有し、前記可動電極の前記第１方向の両側にそれぞれ配置された複数の弾性構造体と、
前記複数の弾性構造体に含まれる前記連結部を互いに接続する接続部材と、
を含む、振動発電素子。 - 請求項１に記載の振動発電素子において、
前記接続部材と前記固定電極とは、前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向から見て交差し、かつ、前記第３方向に離間している、振動発電素子。 - 請求項１または２に記載の振動発電素子において、
前記接続部材は、前記ベース部と同じ材質によって構成される、振動発電素子。 - 請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電素子において、
前記固定電極、前記可動電極、および前記接続部材を除く弾性支持部は、第１層、第２層および第３層が設けられた基板の前記第１層に形成され、
前記ベース部および前記接続部材は、前記基板の前記第３層に形成されている、振動発電素子。 - 請求項４に記載の振動発電素子において、
前記接続部材は、前記第２層を介して前記複数の弾性構造体に含まれる前記連結部に固定されている、振動発電素子。 - 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の振動発電素子を製造するための製造方法であって、
第１層、第２層および第３層が設けられた基板を用意する第１工程と、
前記基板の前記第１層の側から前記第１層の一部をエッチングして、前記固定電極、前記可動電極、および前記接続部材を除く前記弾性支持部を形成する第２工程と、
前記基板の前記第３層の側から前記第３層の一部をエッチングして、前記ベース部および前記接続部材を形成する第３工程と、
前記第２工程および前記第３工程の終了後に、前記第２層の一部をエッチングして、少なくとも前記固定電極と前記接続部材との分離を行う第４工程と、
を備える、振動発電素子の製造方法。 - 請求項６に記載の振動発電素子の製造方法において、
前記複数の弾性構造体の各連結部および前記接続部材は、前記第４工程で残される前記第２層を介して一体に形成される、振動発電素子の製造方法。 - 請求項７に記載の振動発電素子の製造方法において、
前記第４工程は、前記第２工程により前記第１層が除去された領域と、前記第３工程により前記第３層が除去された領域と、前記固定電極および前記接続部材が対向する対向領域と、においてそれぞれ前記第２層を除去する、振動発電素子の製造方法。
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