JP2011234569A - 振動発電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

振動発電デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】外部振動を効率良く錘部に伝える振動発電デバイスおよびその製造方法。
【解決手段】フレーム部11と、フレーム部11の内側に設けられた錘部12と、フレーム部11と錘部12との間をつなぎ錘部12が変位することで撓む撓み部13と、撓み部13の一方の表面に形成され錘部12の振動に応じて交流電圧を発生する発電部18と、を備えた振動発電デバイスであって、フレーム部11および錘部12は、シリコン基板25を用いて形成され、発電部18の表面は、樹脂材料で覆われるように成膜することで弾性膜20を形成し、撓み部13は、フレーム部11かつ錘部12を構成するシリコンよりもヤング率が小さな樹脂材料を用いて形成した弾性膜20でなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、MEMS(micro electro mechanical systems、微小電子機器)技術を用い、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電デバイスおよびその製造方法に関するものである。
従来から、車や人の動きなど任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換するMEMSデバイスの一種である発電デバイスがある。このような発電デバイスに関しては種々の研究がなされている(非特許文献1参照)。
ここにおいて、上記非特許文献1に示された発電デバイスは、図6に示すように、素子形成用基板を用いて形成されてフレーム部1およびフレーム部1の内側に配置され可撓性の撓み部2を介して揺動自在に支持された錘部3を有する主体基板4と、第一のカバー形成用基板を用いて形成され主体基板4の一表面側においてフレーム部1が固着された第一のカバー基板5と、第二のカバー形成用基板を用いて形成され主体基板4の他表面側においてフレーム部1が固着された第二のカバー基板6と、を備えている。また、主体基板4の撓み部2に、錘部3の振動に応じて交流電圧を発生する発電部7が形成されている。なお、発電部7は、下部電極8、圧電層9、上部電極10の積層構造を有している。
R. van Schai jk, et al, 「Piezoelectric ALN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solution」, IEEE SENSORS 2008 Conference, 2008, p. 45‐48
しかしながら、上述のようなモノリシックな発電デバイスでは、錘部3となるシリコンの密度が金属材料より比較的小さく、撓み部2となるシリコンが金属材料よりもヤング率が大きいため、外部振動に対して錘部3が十分に振動せず、出力が小さくなるという課題があった。
本発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたもので、その課題は、外部振動を効率良く錘部に伝える振動発電デバイスおよびその製造方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の振動発電デバイスは、フレーム部と、前記フレーム部の内側に設けられた錘部と、前記フレーム部と前記錘部との間をつなぎ前記錘部が変位することで撓む撓み部と、前記撓み部の一方の表面に形成され前記錘部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部と、を備えた振動発電デバイスであって、前記フレーム部および前記錘部は、シリコン基板を用いて形成され、前記発電部の表面には、樹脂材料で形成された弾性膜を備え、前記撓み部は、前記フレーム部かつ前記錘部を構成するシリコンよりもヤング率が小さな前記樹脂材料を用いて形成した前記弾性膜でなることを特徴とする。
また、この振動発電デバイスにおいて、前記弾性膜は、前記錘部にまで延長されて形成されていることが好ましい。
また、この振動発電デバイスおよびその製造方法において、前記フレーム部および前記錘部は、エッチングストップ層を形成したシリコン基板を用いて形成し、前記撓み部は、前記エッチングストップ層に達するまで前記シリコン基板をエッチングして形成することが好ましい。
本発明の振動発電デバイスにおいて、前記撓み部は、前記フレーム部かつ前記錘部を構成するシリコンよりもヤング率が小さな前記樹脂材料を用いて形成した前記弾性膜でなる。これより、比較的低加速度の外部振動に対しても前記発電部は大きな出力を得ることを可能にし、また、前記弾性膜を備えることで、前記錘部の振動による前記発電部の破損を抑制できる。
本発明の一実施形態を示す振動発電デバイスの概略分解斜視図である。 本発明の一実施形態を示す振動発電デバイスにおけるシリコン基板部位の概略平面図である。 (a)本発明の一実施形態を示す振動発電デバイスにおける弾性膜部位の概略平面図とシリコン基板部位の図2のA−A´断面における概略断面図である。(b)本発明の一実施形態を示す振動発電デバイスにおける弾性膜部位の変形例の概略平面図とシリコン基板部位の変形例の図2のA−A´断面における概略断面図である。 本発明の一実施形態を示す振動発電デバイスの概略分解断面図である。 本発明の一実施形態を示す振動発電デバイスにおけるシリコン基板部位の製造方法を説明するための図2のA−A´断面における主要工程断面図である。 従来例を示す振動発電デバイスの概略断面図である。
図1ないし4は、本発明の一実施形態である振動発電デバイスを示す。この振動発電デバイスは、フレーム部11と、フレーム部11の内側に設けられた錘部12と、フレーム部11と錘部12との間をつなぎ錘部12が変位することで撓む撓み部13と、撓み部13の一方の表面に形成され錘部12の振動に応じて交流電圧を発生する発電部18と、を備えた振動発電デバイスである。フレーム部11および錘部12は、シリコン基板25を用いて形成され、発電部18の表面には、樹脂材料で形成された弾性膜20を備え、撓み部13は、フレーム部11かつ錘部12を構成するシリコンよりもヤング率が小さな樹脂材料を用いて形成した弾性膜20でなる。また、弾性膜20は、錘部12にまで延長されて形成されている。また、図5に示すように、この振動発電デバイスの製造方法において、フレーム部11および錘部12は、エッチングストップ層(後述のシリコン酸化膜36)を形成したシリコン基板25を用いて形成し、撓み部13は、エッチングストップ層に達するまでシリコン基板25をエッチングして形成している。
このシリコン基板25は、発電部18を備える側の表面を一表面とすると、その一表面側から、シリコン酸化膜36と、発電部18と、シリコンよりヤング率の低い樹脂材料を用いて形成する弾性膜20と、を有している。ここで、フレーム部11および錘部12は、シリコン基板25とシリコン酸化膜36と弾性膜20とを主体とし、撓み部13は、弾性膜20を主体として構成している。
図1に示すように、この振動発電デバイスは、シリコン基板25の前記一表面にフレーム部11と固着した第一のカバー基板29を有する。そして、振動発電デバイスは、シリコン基板25の上記一表面と反対側の表面を他表面とすると、前記他表面にフレーム部11と固着した第二のカバー基板30を有する。これら第一のカバー基板29および第二のカバー基板30は、シリコンやガラス等を用いて形成している。このように、振動発電デバイスは、シリコン基板25と、第一のカバー基板29と、第二のカバー基板30と、を用いて構成されている。
以下、本実施形態における振動発電デバイスおよびその製造方法について具体的詳細に説明する。
図2に示すように、フレーム部11の平面視における外形形状は、矩形形状である。また、フレーム部11の内側に形成された錘部12および撓み部13の平面視における外形形状も、フレーム部11の外形形状と同様に矩形形状である。また、撓み部13の上記一表面側に形成された発電部18の平面視における外形形状は、撓み部13の外形形状に沿って、矩形形状である。
そして、この振動発電デバイスは、シリコン基板25の一表面側に形成されたシリコン酸化膜36の上記一表面に発電部18を備えている。発電部18は、シリコン酸化膜36の上記一表面側から順に下部電極15、圧電層16、上部電極17が積層されている。また、シリコン酸化膜36の上記一表面側には、下部電極15および上部電極17それぞれに金属配線からなる接続配線31a、31cが形成されている。また、シリコン酸化膜36の上記一表面側には、接続配線31a、31cを介して電気的に接続された下部電極用パッド32aと、上部電極用パッド32cと、が形成されている。
発電部18においては、下部電極15の平面サイズが最も大きく、二番目に圧電層16の平面サイズが大きく、上部電極17の平面サイズが最も小さくなるように設計してある。本実施形態では、平面視において、下部電極15の外周線の内側に圧電層16が位置し、圧電層16の外周線の内側に上部電極17が位置している。
また、図3(a)に示すように、シリコン基板25の一表面側全体を覆うように樹脂材料で弾性膜20を形成してもよく、このような場合、弾性膜20は、下部電極用パッド32aおよび上部電極用パッド32cから交流電圧を取り出すために、それらに対応する位置に貫通孔23を設けていて、この貫通孔23に金属膜を成膜している。また、この樹脂材料は、PMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂)やポリイミド等を用いている。また、図3(b)に示すように、弾性膜20は、少なくとも発電部18を覆っていればよく、このような場合、下部電極用パッド32a、上部電極用パッド32cが表面に露出していれば、貫通孔23を設ける必要はない。また、この貫通孔23の平面視における形状は、略四角形、略円形等、配線を設置することができれば、これに限定されない。
また、図4に示すように、発電部18は、シリコン酸化膜36の上記一表面側から下部電極15と、圧電層16と、上部電極17と順に積層している。さらに、少なくともフレーム部11と撓み部13との境界から錘部12と撓み部13との境界にまで、発電部18は形成されている。なお、発電部18がフレーム部11と撓み部13との境界に揃っているほうが、発電部18に振動しても発電に寄与しない部分が存在せず、発電量の向上を図れるため好ましい。
シリコン基板25の上記一表面側には、上部電極17に電気的に接続される接続配線31cと下部電極15との短絡防止用の絶縁部35が、下部電極15および圧電層16それぞれにおけるフレーム部11側の端部を覆う形で形成されている。また、絶縁部35を設けるとき、絶縁部35は、シリコン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、シリコン基板25と下部電極15との間にMgO層からなるシード層(図示せず)が形成されている。また、シリコン基板25の上記一表面側および上記他表面側には、シリコン酸化膜36、37が形成されている。なお、本実施形態では、シリコン基板25を構成する基板材料がシリコンであるので、そのシリコン基板の一表面のシリコン酸化膜36は、エッチングストップ層となる。撓み部13を形成する際は、シリコン基板を全てエッチングする。なお、これらの配線パターンや発電部18は、シリコン基板25上に形成されているが、弾性膜20によって覆われるため、平面視において目視されない。なお、弾性膜20は、下部電極用パッド32aおよび上部電極用パッド32cから交流電圧を取り出すために、それらに対応する位置に貫通孔23を設けている。
また、第一のカバー基板29は、シリコン基板25側の一表面側に、錘部12および撓み部13からなる可動部の変位空間を形成し、その変位空間を第一凹所38としている。
第一のカバー基板29は、第一のカバー基板29の他表面側に、発電部18で発生した交流電圧を外部へ供給するための出力用電極40,40を形成している。各出力用電極40,40は、第一のカバー基板29の一表面側に形成された連絡用電極41,41と、第一のカバー基板29の厚み方向に貫設された貫通孔配線42,42を介して電気的に接続されている。ここで、第一のカバー基板29は、各連絡用電極41,41がシリコン基板25の下部電極用パッド32a,上部電極用パッド32cと接合され、電気的に接続されている。なお、各出力用電極40,40および各連絡用電極41,41をTi膜とAu膜との積層膜により構成しているが、これらの材料や層構造は特に限定するものではない。また、各貫通孔配線42,42の材料としてはCuを採用しているが、これに限らず、例えばNi、Alなどを採用してもよい。
本実施形態では、第一のカバー基板29としてシリコンを用いた基板を使用する場合、第一のカバー基板29は、二つの出力用電極40,40同士の短絡を防止するためのシリコン酸化膜からなる絶縁膜43が、第一のカバー基板29の上記一表面側および上記他表面側と貫通孔配線42,42が内側に形成された貫通孔44,44の内周面とに跨って形成されている。なお、第一のカバー基板29としてガラスを用いた基板のような絶縁性基板を用いる場合は、このような絶縁膜43は設ける必要はない。
また、第二のカバー基板30は、シリコン基板25側の一表面側に、錘部12および撓み部13からなる可動部の変位空間を形成し、その変位空間を第二凹所39としている。なお、第二のカバー基板30は、ガラス基板のような絶縁性基板を用いてもよい。
また、弾性膜20を備えたシリコン基板25と第一のカバー基板29とは、接着剤等で接合されている。そして、シリコン基板25と第二のカバー基板30とは、常温接合法により接合してあるが、常温接合法に限らず、例えば、陽極接合法や、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法などにより接合してもよい。なお、本実施形態の振動発電デバイスは、MEMSデバイスの製造技術などを利用して形成されている。
以上、説明した本実施形態の振動発電デバイスでは、発電部18が下部電極15と、圧電層16と、上部電極17と、で構成されているから、撓み部13の振動によって圧電層16が応力を受け、下部電極15と上部電極17とに電荷の偏りが発生し、発電部18において交流電圧が発生する。
ここで、振動発電デバイスの圧電層16に用いられる圧電材料の比誘電率をε、発電指数をPとすると、P∝e312/εの関係が成り立ち、発電指数Pが大きいほど発電効率が大きくなる。振動発電デバイスに用いられる代表的な圧電材料であるPZTおよびAlNそれぞれの圧電定数e31、比誘電率εの一般的な値からみて、発電指数Pに二乗できく圧電定数e31が大きいPZTを採用した方が発電指数Pを大きくできる。本実施形態における振動発電デバイスは、圧電層16の圧電材料として、鉛系圧電材料の一種であるPZTを採用しているが、鉛系圧電材料は、PZT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を採用してもよい。ただし、圧電層16の圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、他の圧電材料を採用してもよい。
以下、本実施形態の振動発電デバイスの製造方法について、図5を参照しながら説明するが、図5(a)ないし(h)は、図2のA−A´断面に対応する部位を示している。
まず、シリコンを用いて形成されるシリコン基板25の上記一表面側と上記他表面側にシリコン酸化膜36、37を熱酸化法などにより形成する絶縁膜形成工程を行うことによって図5(a)に示す構造を得る。
その後、シリコン基板25の上記一表面の全面に下部電極15、接続配線31a及び下部電極用パッド32aの基礎となるPt層からなる金属層50をスパッタ法やCVD法などにより形成する金属層形成工程を行う。続いて、シリコン基板25の上記一表面の全面に圧電材料(例えば、PZTなど)からなる圧電層16の基礎となる圧電膜51(例えば、PZT膜など)をスパッタ法やCVD法やゾルゲル法などにより形成する圧電膜形成工程を行うことによって図5(b)に示す構造を得る。なお、金属層50は、Pt層に限らず、例えばAl層やAl−Si層でもよいし、Pt層とそのPt層とシード層との間に介在する密着性改善用のTi層とで構成してもよい。ここで密着層の材料はTiに限らず、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。
上述の圧電膜形成工程の後、圧電膜51をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングし、圧電膜51の一部からなる圧電層16を形成する圧電膜パターニング工程を行うことによって、図5(c)に示す構造を得る。
その後、上述の金属層50をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングし、それぞれ金属層50の一部からなる下部電極15、接続配線31a、下部電極用パッド32aを形成する金属層パターニング工程を行うことによって、図5(d)に示す構造を得る。なお、本実施形態の金属層パターニング工程では金属層50をパターニングすることによって、下部電極15と併せて接続配線31aおよび下部電極用パッド32aを形成しているが、これに限らず、金属層パターニング工程で金属層50をパターニングすることで下部電極15のみを形成するようにし、その後、接続配線31aおよび下部電極用パッド32aを形成する配線形成工程を別途に設けてもよい。また、接続配線31aを形成する接続配線形成工程と下部電極用パッド32aを形成する下部電極用パッド形成工程とを別々に設けてもよい。また、金属層50のエッチングにあたっては、例えば、RIE法やイオンミリング法などを採用すればよい。
上述の金属層パターニング工程により下部電極15、接続配線31a、および下部電極用パッド32aを形成した後、基板25の上記一表面側に絶縁部35を形成する絶縁部形成工程を行うことによって、図5(e)に示す構造を得る。絶縁部形成工程では、基板25の上記一表面側の全面に絶縁層をCVD法などにより成膜してから、フォトリソグラフィ技術およ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部35を形成するようにしてもよい。
上述の絶縁部形成工程の後、上部電極17を例えばEB蒸着法やスパッタ法やCVD法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する上部電極形成工程と同時に、接続配線31cおよび上部電極用パッド32cをEB蒸着法やスパッタ法やCVD法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する配線形成工程を行うことによって、図5(f)に示す構造を得る。言い換えれば、本実施形態では、上部電極形成工程において、上部電極17と併せて接続配線31cおよび上部電極用パッド32cを形成しているが、これに限らず、上部電極形成工程と配線形成工程とを別々に行うようにしてもよい。また、配線形成工程についても、接続配線31cを形成する接続配線形成工程と上部電極用パッド32cを形成する上部電極用パッド形成工程とを別々に設けてもよい。なお、上部電極17のエッチングは、RIE法などのドライエッチングが好ましいが、ウェットエッチングでもよく、例えば、Au膜をヨウ化カリウム水溶液、Ti膜を過酸化水素水によりウェットエッチングすればよい。なお、上部電極17は、PtやAlやAl−Si等を用いて構成されている。
上述のようにして上部電極17、接続配線31c、上部電極用パッド32cを形成した後、シリコン基板25の一表面側の全面に樹脂材料を用いた弾性膜20をスピンコート法およびフォトリソグラフィ技術により成膜することで、図5(g)に示す構造を得る。
弾性膜形成工程に続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してフレーム部11と、錘部12と、撓み部13と、を形成する基板加工工程を行うことで、図5(h)に示す構造を得る。ここにおいて、基板加工工程では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してシリコン基板25を上記他表面側からシリコン酸化膜36に達するまで、フレーム部11および錘部12以外の部位をエッチングすることで、裏面溝を形成する裏面溝形成工程を行う。続いて、シリコン酸化膜36をエッチングすることで、連通させ、フレーム部11と、錘部12と、撓み部13と、を形成する。このエッチング工程を行うことによって、図5(h)に示す構造の発電デバイスを得る。
ところで、本実施形態では、基板加工工程の裏面溝形成工程において、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ(ICP)型のエッチング装置を用いてシリコン基板25をエッチングしているので、シリコン酸化膜36の裏面とフレーム部11の内側面とのなす角度を略90度とすることができる。なお、基板加工工程の裏面溝形成工程は、ICP型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングに限らず、異方性の高いエッチングが可能であればよく、他のドライエッチング装置を用いてもよい。また、シリコン基板25の上記一表面が(110)面の場合には、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。
なお、本実施形態の発電デバイスは、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に分割するようにしている。
本実施形態では、第一のカバー基板29と、第二のカバー基板30と、を備えているので、上述の撓み部13を形成するエッチング工程の後、各カバー基板29、30を接合するカバー接合工程を行う。この場合、カバー接合工程が終了するまで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振動発電デバイスに分割すればよい。ここにおいて、各カバー基板29、30は、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程、薄膜形成工程、めっき工程などの周知の工程を適宜適用して形成すればよい。
ところで、発電部18では、下部電極15上に圧電層16を形成しているが、下部電極15と圧電層16との間に、圧電層16の成膜時の下地となるバッファ層(図示せず)を介在させることで、圧電層16の結晶性を更に向上させてもよい。バッファ層の材料としては、導電性酸化物材料の一種であるSrRuO3、(Pb,Ra)TiO3、PbTiO3などを採用すればよい。
また、この振動発電デバイスは、例えば、複数並べて、2次元アレイ状に配列されたアレイ化振動発電デバイスであってもよい。
したがって、本実施形態の振動発電デバイスにおいては、フレーム部11および錘部12は、シリコン基板25を用いて形成され、発電部18の表面は、樹脂材料で形成された弾性膜20を備え、撓み部13は、フレーム部11かつ錘部12を構成するシリコンよりもヤング率が小さな樹脂材料を用いて形成した弾性膜20でなる。これより、比較的低加速度の外部振動に対しても前記発電部は大きな出力を得ることを可能にし、弾性膜20を備えることで、錘部12の振動による撓み部13の破損を抑制することができる。
また、本実施形態の振動発電デバイスにおいて、弾性膜20は、錘部12にまで延長されて形成されている。これより、錘部12の振動による撓み部13の破損を抑制しながら、錘部12の質量を大きくすることで、より大きな出力を得ることができる。
また、本実施形態の振動発電デバイスにおいて、この振動発電デバイスの製造方法において、フレーム部11および錘部12は、エッチングストップ層を形成したシリコン基板を用いて形成し、撓み部13は、エッチングストップ層に達するまでシリコン基板25をエッチングして形成している。これより、比較的安価なシリコンを用いることができるので、複雑なプロセスを含まずに振動発電デバイスを作製することができる。
11 フレーム部
12 錘部
13 撓み部
15 下部電極
16 圧電層
17 上部電極
18 発電部
20 弾性膜
25 シリコン基板
29 第一のカバー基板
30 第二のカバー基板
31a、31c 接続配線
32a 下部電極用パッド
32c 上部電極揺パッド
40 出力用電極

Claims (3)

  1. フレーム部と、前記フレーム部の内側に設けられた錘部と、前記フレーム部と前記錘部との間をつなぎ前記錘部が変位することで撓む撓み部と、前記撓み部の一方の表面に形成され前記錘部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部と、を備えた振動発電デバイスであって、
    前記フレーム部および前記錘部は、シリコン基板を用いて形成され、
    前記発電部の表面には、樹脂材料で形成された弾性膜を備え、
    前記撓み部は、前記フレーム部かつ前記錘部を構成するシリコンよりもヤング率が小さな前記樹脂材料を用いて形成した前記弾性膜でなることを特徴とする振動発電デバイス。
  2. 前記弾性膜は、前記錘部にまで延長されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の振動発電デバイス。
  3. 請求項1または2に記載の前記振動発電デバイスの製造方法であって、
    前記フレーム部および前記錘部は、エッチングストップ層を形成したシリコン基板を用いて形成し、
    前記撓み部は、前記エッチングストップ層に達するまで前記シリコン基板をエッチングして形成することを特徴とする振動発電デバイスの製造方法。
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