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技術 振動発電素子

出願人 国立大学法人東京大学株式会社鷺宮製作所
発明者 年吉洋本間浩章三屋裕幸
出願日 2018年11月16日 (1年8ヶ月経過) 出願番号 2018-215630
公開日 2020年6月4日 (2ヶ月経過) 公開番号 2020-088935
状態 未査定
技術分野 マイクロマシン 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 噛合量 側壁面積 振動発電素子 噛合領域 根元領域 アルミマスク ノッチ状 振動発電
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

大型化を抑えつつ発電電力の向上を図ることができる振動発電素子の提供。

解決手段

振動発電素子1は、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、一対の固定電極部111の間に配置され、各固定電極部111の複数の櫛歯電極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端子構造であって、櫛歯電極110と櫛歯電極120との間の隙間領域ギャップ寸法が20μmよりも小さく、櫛歯電極110と櫛歯電極120との間の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。

概要

背景

従来、MEMS加工技術を用いた静電型微小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。

概要

大型化を抑えつつ発電電力の向上をることができる振動発電素子の提供。振動発電素子1は、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、一対の固定電極部111の間に配置され、各固定電極部111の複数の櫛歯電極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端子構造であって、櫛歯電極110と櫛歯電極120との間の隙間領域ギャップ寸法が20μmよりも小さく、櫛歯電極110と櫛歯電極120との間の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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

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2

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3

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。

技術分野

0001

本発明は、振動発電素子に関する。

背景技術

0002

従来、MEMS加工技術を用いた静電型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。

先行技術

0003

特開2018−88780号公報

発明が解決しようとする課題

0004

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。

課題を解決するための手段

0005

本発明の態様による振動発電素子は、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。

発明の効果

0006

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。

図面の簡単な説明

0007

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(SiO2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。

実施例

0008

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。

0009

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SiO2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。

0010

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。

0011

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。

0012

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との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。

0013

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、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(SiO2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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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おおきくなり、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。

0025

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。

0026

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。

0027

(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。

0028

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。

0029

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は厚さTの設定方法については後述する。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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、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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

(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。

0041

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。

0042

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。

0043

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。

0044

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。

0045

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。

0046

(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。

0047

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の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の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。

0048

(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SiO2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。

0049

(3)エレクトレットが形成されたシリコン酸化膜(SiO2膜)の表面には、エレクトレット保護膜が形成されている。エレクトレット保護膜を形成することで、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。

0050

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。

0051

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)

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