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JP2011091318A - Power generation device - Google Patents

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JP2011091318A
JP2011091318A JP2009245539A JP2009245539A JP2011091318A JP 2011091318 A JP2011091318 A JP 2011091318A JP 2009245539 A JP2009245539 A JP 2009245539A JP 2009245539 A JP2009245539 A JP 2009245539A JP 2011091318 A JP2011091318 A JP 2011091318A
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JP
Japan
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cantilever
upper electrode
power generation
piezoelectric
lower electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2009245539A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Norihiro Yamauchi
規裕 山内
Chomei Matsushima
朝明 松嶋
Koichi Aizawa
浩一 相澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Panasonic Electric Works Co Ltd filed Critical Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority to JP2009245539A priority Critical patent/JP2011091318A/en
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Abstract

【課題】発電量の向上を図れる発電デバイスを提供する。
【解決手段】素子形成基板120を用いて形成されてフレーム部(支持部)21およびカンチレバー部22を有するカンチレバー形成基板20と、カンチレバー部22の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部(発電部)24とを備え、圧電変換部24の下部電極24a、上部電極24cが、下部電極用パッド27a、上部電極用パッド27cと電気的に接続されている。圧電変換部24において圧電層24bと下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれとが接する圧電変換領域のフレーム部21側の端を、フレーム部21とカンチレバー部22との境界に揃えてある。
【選択図】図1
A power generation device capable of improving the power generation amount is provided.
A cantilever forming substrate 20 formed using an element forming substrate 120 and having a frame portion (support portion) 21 and a cantilever portion 22, and a piezoelectric conversion portion that generates an alternating voltage in response to vibration of the cantilever portion 22 ( The lower electrode 24a and the upper electrode 24c of the piezoelectric conversion unit 24 are electrically connected to the lower electrode pad 27a and the upper electrode pad 27c. In the piezoelectric conversion portion 24, the end of the piezoelectric conversion region where the piezoelectric layer 24b contacts the lower electrode 24a and the upper electrode 24c on the frame portion 21 side is aligned with the boundary between the frame portion 21 and the cantilever portion 22.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動式の発電デバイスに関するものである。   The present invention relates to a vibration power generation device that converts vibration energy into electrical energy.

近年、MEMS(micro electro mechanical systems)デバイスの一種として、車の振動や人の動きによる振動などの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発電デバイスが各所で研究開発されている。   In recent years, as one type of MEMS (micro electro mechanical systems) device, a power generation device that converts vibration energy caused by arbitrary vibration such as vibration of a car or vibration of a person into electric energy has been researched and developed in various places.

ここにおいて、この種の発電デバイスとして用いることが可能な電気機械変換装置として、図6に示すように、素子形成基板(ここでは、Si基板)20a’を用いて形成されてフレーム部(支持部)21’およびフレーム部21’の内側に配置されフレーム部21’に揺動自在に支持されたカンチレバー部(撓み部)22’を有するカンチレバー形成基板20’と、カンチレバー形成基板20’のカンチレバー部22’に形成されカンチレバー部22’の振動に応じて交流電圧を発生する発電部として機能する圧電変換部(圧電素子)24’とを備えたものが提案されている。   Here, as an electromechanical conversion device that can be used as this type of power generation device, as shown in FIG. 6, it is formed by using an element forming substrate (here, Si substrate) 20a ′ and a frame portion (supporting portion). ) 21 ′ and a cantilever forming substrate 20 ′ having a cantilever portion (flexible portion) 22 ′ that is disposed inside the frame portion 21 ′ and is swingably supported by the frame portion 21 ′, and the cantilever portion of the cantilever forming substrate 20 ′ A device including a piezoelectric conversion unit (piezoelectric element) 24 ′ formed on 22 ′ and functioning as a power generation unit that generates an AC voltage in response to vibration of the cantilever unit 22 ′ has been proposed.

上述の圧電変換部24’は、素子形成基板20a’の一表面側のシリコン酸化膜からなる絶縁膜29a’上に形成されており、Ti膜とPt膜との積層膜からなる下部電極24a’と、下部電極24a’におけるカンチレバー部22’側とは反対側に形成されたAlN薄膜もしくはPZT(:Pb(Zr,Ti)O3)薄膜からなる圧電層24b’と、圧電層24b’における下部電極24a’側とは反対側に形成されたPt膜からなる上部電極24c’とで構成されている。 The above-described piezoelectric conversion portion 24 ′ is formed on the insulating film 29a ′ made of a silicon oxide film on one surface side of the element formation substrate 20a ′, and the lower electrode 24a ′ made of a laminated film of a Ti film and a Pt film. A piezoelectric layer 24b ′ made of an AlN thin film or a PZT (: Pb (Zr, Ti) O 3 ) thin film formed on the opposite side of the lower electrode 24a ′ from the cantilever portion 22 ′ side, and a lower portion of the piezoelectric layer 24b ′. The upper electrode 24c ′ made of a Pt film is formed on the opposite side of the electrode 24a ′.

また、上述の電気機械変換装置は、上部電極24c’と下部電極24a’との短絡を防止するレジスト層からなる絶縁層25’が、圧電変換部24’におけるフレーム部21’側の端部を覆う形で形成されており、上部電極24c’とフレーム部21’において絶縁膜29a’上に形成された上部電極用パッド27c’とが、上部電極用パッド27c’に連続一体に形成された接続配線26c’を介して電気的に接続され、下部電極24a’とフレーム部21’において絶縁膜29a’上に形成された下部電極用パッド(図示せず)とが、両者に連続一体に形成された接続配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。   Further, in the electromechanical transducer described above, the insulating layer 25 ′ made of a resist layer that prevents a short circuit between the upper electrode 24c ′ and the lower electrode 24a ′ is provided at the end of the piezoelectric transducer 24 ′ on the frame portion 21 ′ side. A connection formed by covering the upper electrode 24c ′ and the upper electrode pad 27c ′ formed on the insulating film 29a ′ in the frame portion 21 ′ and integrally formed on the upper electrode pad 27c ′. A lower electrode pad (not shown) electrically connected via the wiring 26c ′ and formed on the insulating film 29a ′ in the frame portion 21 ′ is formed integrally with the lower electrode 24a ′. They are electrically connected via connection wiring (not shown).

特開2005−331485号公報JP 2005-331485 A

ところで、図6に示した構成の電気機械変換装置では、下部電極24a’、圧電層24b’、上部電極24c’それぞれのフレーム部21’に近い側の側縁を絶縁層25’により覆うことにより、上述の圧電層24b’の端部における段差に起因した接続配線26c’の断線の防止を図っている。   By the way, in the electromechanical transducer having the configuration shown in FIG. 6, the side edges of the lower electrode 24a ′, the piezoelectric layer 24b ′, and the upper electrode 24c ′ that are close to the frame portion 21 ′ are covered with the insulating layer 25 ′. The disconnection of the connection wiring 26c ′ caused by the step at the end of the piezoelectric layer 24b ′ is prevented.

しかしながら、図6に示した構成の電気機械変換装置では、圧電変換部24’において圧電層24b’と下部電極24a’および上部電極24c’それぞれとが接する圧電変換領域の一部がフレーム部21’上に形成されているので、発電デバイスとして用いる場合、圧電変換領域に、カンチレバー部22’が振動しても応力がかからない部分が存在し、当該部分が寄生容量となってしまうので、発電効率が低下してしまう問題があった。   However, in the electromechanical transducer having the configuration shown in FIG. 6, in the piezoelectric transducer 24 ′, a part of the piezoelectric transducer region where the piezoelectric layer 24b ′ and the lower electrode 24a ′ and the upper electrode 24c ′ are in contact with each other is the frame portion 21 ′. When formed as a power generation device, the piezoelectric conversion region has a portion where no stress is applied even if the cantilever portion 22 ′ vibrates, and the portion becomes a parasitic capacitance. There was a problem that would decrease.

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、発電量の向上を図れる発電デバイスを提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the electric power generation device which can aim at the improvement of electric power generation amount.

請求項1の発明は、素子形成基板を用いて形成されて支持部および支持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、カンチレバー部に形成され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からなる発電部とを備え、発電部が、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重なる部位に形成された下部電極と、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を有し、下部電極および上部電極それぞれが、カンチレバー形成基板の前記一表面側において支持部に重なる部位に形成された各別のパッドと電気的に接続されてなる発電デバイスであって、圧電変換部において圧電層と下部電極および上部電極それぞれとが接する圧電変換領域の支持部側の端を、支持部とカンチレバー部との境界に揃えてあることを特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a cantilever forming substrate that is formed using an element forming substrate and has a cantilever portion that is swingably supported by the support portion, and a cantilever portion that is formed on the cantilever portion according to vibration of the cantilever portion. A power generation unit including a piezoelectric conversion unit that generates an alternating voltage, and the power generation unit is opposite to the cantilever unit side of the lower electrode and the lower electrode formed in a portion overlapping the cantilever unit on one surface side of the cantilever forming substrate A piezoelectric layer formed on the side and an upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric layer from the lower electrode side, each of the lower electrode and the upper electrode serving as a support portion on the one surface side of the cantilever forming substrate A power generation device that is electrically connected to each other pad formed on the overlapping portion, and in the piezoelectric conversion unit, the piezoelectric layer, the lower electrode, and The end of the supporting portion side of the piezoelectric transducer region and each upper electrode is in contact, characterized in that are aligned to the boundary between the supporting portion and the cantilever portion.

この発明によれば、圧電変換部において圧電層と下部電極および上部電極それぞれとが接する圧電変換領域の支持部側の端を、支持部とカンチレバー部との境界に揃えてあるので、圧電変換領域の支持部側の端が支持部とカンチレバー部との境界における支持部側にある場合に比べて、発電効率の向上による発電量の向上を図れ、また、圧電変換領域の支持部側の端が支持部とカンチレバー部との境界におけるカンチレバー部側にある場合に比べて、カンチレバー部の振動時に応力が高くなる部分に存在する圧電変換領域の面積を増大でき、発電効率を向上できる。   According to the present invention, since the piezoelectric conversion region has a piezoelectric conversion region where the piezoelectric layer, the lower electrode, and the upper electrode are in contact with each other, the support portion side end is aligned with the boundary between the support portion and the cantilever portion. Compared with the case where the end of the support part side is on the support part side at the boundary between the support part and the cantilever part, the power generation efficiency can be improved by improving the power generation efficiency, and the end of the piezoelectric conversion region on the support part side is Compared to the cantilever part side at the boundary between the support part and the cantilever part, it is possible to increase the area of the piezoelectric conversion region existing in the part where the stress increases during vibration of the cantilever part, and to improve the power generation efficiency.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記上部電極と前記圧電層との接するエリアを規定し且つ前記上部電極と前記下部電極との短絡を防止する絶縁層が前記カンチレバー形成基板の前記一表面側に形成され、当該絶縁層により前記圧電層と前記上部電極とが接する位置であって前記支持部側の端の位置が規定されてなることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, an insulating layer that defines an area where the upper electrode and the piezoelectric layer are in contact and prevents a short circuit between the upper electrode and the lower electrode is provided on the cantilever-forming substrate. It is formed on the one surface side, and the insulating layer defines a position where the piezoelectric layer and the upper electrode are in contact with each other and an end position on the support portion side.

この発明によれば、前記上部電極と前記圧電層との接するエリアを規定し且つ前記上部電極と前記下部電極との短絡を防止する絶縁層により、前記圧電層と前記上部電極とが接する位置であって前記支持部側の端の位置が規定されているので、前記圧電層を前記支持部上まで延長して形成することができ、製造時の前記圧電層のパターニング精度によらず、前記カンチレバー部の全長に亘って前記圧電層を形成することができ、当該パターニング精度に起因した発電量の低下やばらつきを抑制できる。   According to the present invention, the insulating layer that defines an area where the upper electrode and the piezoelectric layer are in contact and prevents a short circuit between the upper electrode and the lower electrode is provided at a position where the piezoelectric layer and the upper electrode are in contact with each other. Since the position of the end on the support portion side is defined, the piezoelectric layer can be formed to extend onto the support portion, and the cantilever can be formed regardless of the patterning accuracy of the piezoelectric layer at the time of manufacture. The piezoelectric layer can be formed over the entire length of the part, and a decrease in power generation amount and variation due to the patterning accuracy can be suppressed.

請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記絶縁層の平面視形状が、前記上部電極の周部に沿った枠状であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the planar shape of the insulating layer is a frame shape along the peripheral portion of the upper electrode.

この発明によれば、前記絶縁層が前記上部電極の周部の周方向の一部のみに沿った形状に形成されている場合に比べて、発電効率を向上できる。   According to this invention, compared with the case where the said insulating layer is formed in the shape along only a part of the circumferential direction of the peripheral part of the said upper electrode, electric power generation efficiency can be improved.

請求項4の発明は、請求項2または請求項3の発明において、前記絶縁層は、SiOもしくはSiにより形成されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the present invention, the insulating layer is made of SiO 2 or Si 3 N 4 .

この発明によれば、前記絶縁層がレジストである場合に比べて絶縁性を向上できる。   According to this invention, the insulation can be improved as compared with the case where the insulating layer is a resist.

請求項1の発明では、発電量の向上を図れるという効果がある。   The invention according to claim 1 has an effect of improving the power generation amount.

実施形態の発電デバイスを示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’概略断面図である。The power generation device of embodiment is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is A-A 'schematic sectional drawing of (a). 同上の発電デバイスの要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of a power generation device same as the above. 同上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。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of an electric power generation device same as the above. 同上の発電デバイスの他の構成例の概略分解斜視図である。It is a general | schematic disassembled perspective view of the other structural example of an electric power generation device same as the above. 同上の発電デバイスの他の構成例の要部の概略分解断面図である。It is a general | schematic exploded sectional view of the principal part of the other structural example of an electric power generation device same as the above. 従来例の発電デバイスを示し、(a)は概略斜視図、(b)は(a)のA−A’概略断面図、(c)は(a)のB−B’概略断面図である。The power generation device of a prior art example is shown, (a) is a schematic perspective view, (b) is a schematic cross-sectional view along A-A 'in (a), and (c) is a schematic cross-sectional view along B-B' in (a).

本実施形態の発電デバイスは、図1に示すように、素子形成基板120を用いて形成されてフレーム部21およびフレーム部21の内側に配置されフレーム部21に揺動自在に支持されたカンチレバー部22を有するカンチレバー形成基板20と、カンチレバー形成基板20の一表面側においてカンチレバー部22に形成され当該カンチレバー部22の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部(圧電素子)24とを備えている。また、カンチレバー形成基板20におけるカンチレバー部22の先端部には、カンチレバー部22の変位量を大きくするための錘部23が一体に設けられている。なお、本実施形態では、フレーム部21が、支持部を構成し、圧電変換部24が、発電部を構成している。   As shown in FIG. 1, the power generation device according to the present embodiment is formed using an element forming substrate 120 and is disposed inside the frame portion 21 and the frame portion 21 and is swingably supported by the frame portion 21. A cantilever forming substrate 20 having a front surface 22 and a piezoelectric conversion portion (piezoelectric element) 24 that is formed on the cantilever portion 22 on one surface side of the cantilever forming substrate 20 and generates an AC voltage in response to vibration of the cantilever portion 22. Yes. Further, a weight portion 23 for increasing the amount of displacement of the cantilever portion 22 is integrally provided at the tip end portion of the cantilever portion 22 in the cantilever forming substrate 20. In the present embodiment, the frame portion 21 constitutes a support portion, and the piezoelectric conversion portion 24 constitutes a power generation portion.

上述の圧電変換部24は、下部電極24aと、下部電極24aにおけるカンチレバー部22側とは反対側に形成された圧電層24bと、圧電層24bにおける下部電極24a側とは反対側に形成された上部電極24cとで構成されている。   The above-described piezoelectric conversion portion 24 is formed on the lower electrode 24a, the piezoelectric layer 24b formed on the opposite side of the lower electrode 24a on the cantilever portion 22 side, and the opposite side of the piezoelectric layer 24b on the lower electrode 24a side. It is comprised with the upper electrode 24c.

また、カンチレバー形成基板20の上記一表面側には、下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれに金属配線からなる接続配線26a,26cを介して電気的に接続された各別のパッドである下部電極用パッド27a、上部電極用パッド27cが、フレーム部21に重なる部位で形成されている。   Further, on the one surface side of the cantilever forming substrate 20, there is a lower electrode which is a separate pad electrically connected to each of the lower electrode 24a and the upper electrode 24c via connection wirings 26a and 26c made of metal wiring. A pad 27 a and an upper electrode pad 27 c are formed at portions that overlap the frame portion 21.

上述の圧電変換部24は、下部電極24aの平面サイズが最も大きく、2番目に圧電層24bの平面サイズが大きく、上部電極24cの平面サイズが最も小さくなるように設計してあり、更に、圧電変換部24において圧電層24bと下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれとが接する位置であって圧電変換領域のフレーム部21側の端が、図1(b),図2(a)中の左側の一点鎖線で示すようにフレーム部21とカンチレバー部22との境界に揃い(略一致し)、圧電変換領域の錘部23側の端が、図1(b)中の右側の一点鎖線で示すように錘部23の端に揃う(略一致する)ように設計してある。ここで、圧電変換部24は、平面視において、下部電極24aの外周線の内側に圧電層24bが位置し、圧電層24bの外周線の内側に上部電極24cが位置している。   The piezoelectric transducer 24 is designed such that the planar size of the lower electrode 24a is the largest, the planar size of the piezoelectric layer 24b is the second largest, and the planar size of the upper electrode 24c is the smallest. In the converting portion 24, the piezoelectric layer 24b is in contact with each of the lower electrode 24a and the upper electrode 24c, and the end of the piezoelectric converting region on the frame portion 21 side is on the left side in FIGS. 1 (b) and 2 (a). As shown by the alternate long and short dash line, the boundary between the frame part 21 and the cantilever part 22 is aligned (substantially coincides), and the end on the weight part 23 side of the piezoelectric conversion region is shown by the alternate long and short dash line in FIG. Are designed so that they are aligned (substantially coincide) with the ends of the weights 23. Here, in plan view, the piezoelectric conversion unit 24 has the piezoelectric layer 24b positioned inside the outer peripheral line of the lower electrode 24a, and the upper electrode 24c positioned inside the outer peripheral line of the piezoelectric layer 24b.

また、カンチレバー形成基板20の上記一表面側には、上部電極24cと圧電層24bとの接するエリアを規定(上述の圧電変換領域を規定)し且つ上部電極24cに電気的に接続される接続配線26cと下部電極24aとの短絡を防止することで上部電極24cと下部電極24aとの短絡を防止する絶縁層25が、下部電極24aおよび圧電層24b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25の平面視形状は、上部電極24cの周部に沿った枠状(図示例では、台形枠状)となっている。   Further, on the one surface side of the cantilever forming substrate 20, an area where the upper electrode 24c and the piezoelectric layer 24b are in contact is defined (the above-described piezoelectric conversion region is defined) and electrically connected to the upper electrode 24c. An insulating layer 25 that prevents a short circuit between the upper electrode 24c and the lower electrode 24a by preventing a short circuit between the electrode 26c and the lower electrode 24a is formed so as to cover the peripheral portions of the lower electrode 24a and the piezoelectric layer 24b. . In short, the planar view shape of the insulating layer 25 is a frame shape (in the illustrated example, a trapezoidal frame shape) along the peripheral portion of the upper electrode 24c.

上述の絶縁層25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、シリコン窒化膜により構成してもよい。要するに、絶縁層25は、SiOにより形成されているが、SiOに限らず、Siにより形成されていてもよい。また、カンチレバー形成基板20は、素子形成基板120の一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜29a,29bが形成されており、圧電変換部24と素子形成基板120とが素子形成基板120の上記一表面側の絶縁膜29aにより電気的に絶縁されている。 The insulating layer 25 is composed of a silicon oxide film, but is not limited to a silicon oxide film, and may be composed of a silicon nitride film. In short, the insulating layer 25 has been formed by SiO 2, is not limited to SiO 2, it may be formed by Si 3 N 4. In addition, the cantilever forming substrate 20 has insulating films 29a and 29b made of a silicon oxide film formed on one surface side and the other surface side of the element forming substrate 120, respectively. The insulating film 29a on the one surface side of the formation substrate 120 is electrically insulated.

上述の発電デバイスでは、発電部が、下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとで構成される圧電変換部24により構成されているから、カンチレバー部22の振動によって圧電変換部24の圧電層24bが応力を受け上部電極24cと下部電極24aとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部24において交流電圧が発生する。   In the power generation device described above, the power generation unit is configured by the piezoelectric conversion unit 24 including the lower electrode 24a, the piezoelectric layer 24b, and the upper electrode 24c, and thus the piezoelectric layer of the piezoelectric conversion unit 24 is caused by the vibration of the cantilever unit 22. 24b receives stress, and a bias of electric charge occurs between the upper electrode 24c and the lower electrode 24a, and an AC voltage is generated in the piezoelectric conversion unit 24.

ところで、本実施形態における発電デバイスは、圧電層24bの圧電材料として、鉛系圧電材料の一種であるPZTを採用しており、素子形成基板120として、単結晶シリコン基板からなる支持基板120a上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜120b上に単結晶のシリコン層(活性層)120cを有するSOI(Silicon on Insulator)基板を用いているが、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などを採用してもよい。ここで、本実施形態の発電デバイスでは、圧電層24bの比誘電率をε、発電指数をPとすると、P∝e31 2/εの関係が成り立ち、発電指数Pが大きいほど発電効率が大きくなるが、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。なお、素子形成基板120であるSOI基板としては、上記一表面(シリコン層120cの表面)が(100)面のものを用いている。 By the way, the power generation device in the present embodiment employs PZT, which is a kind of lead-based piezoelectric material, as the piezoelectric material of the piezoelectric layer 24b. An SOI (Silicon on Insulator) substrate having a single crystal silicon layer (active layer) 120c on a buried oxide film 120b made of a silicon oxide film is used, but the lead-based piezoelectric material is not limited to PZT, for example, PZT-PMN (: Pb (Mn, Nb) O 3 ) or PZT to which other impurities are added may be employed. Here, in the power generation device of the present embodiment, when the dielectric constant of the piezoelectric layer 24b is ε and the power generation index is P, the relationship P∝e 31 2 / ε is established, and the power generation efficiency increases as the power generation index P increases. made, but which is a typical piezoelectric material PZT and AlN respectively piezoelectric constant e 31 used in the power generation device, viewed from the common value of the dielectric constant, the square can rather piezoelectric constant e 31 large power generation index P The power generation index P can be increased by adopting PZT. In addition, as the SOI substrate which is the element formation substrate 120, the one surface (the surface of the silicon layer 120c) having a (100) plane is used.

また、本実施形態の発電デバイスでは、素子形成基板120として、上述のSOI基板を用いているので、製造時において、SOI基板の埋込酸化膜120bをカンチレバー部22の形成時のエッチングストッパ層として利用することでカンチレバー部22の厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図れる。ただし、素子形成基板120は、SOI基板に限らず、例えば、単結晶のシリコン基板などを用いてもよい。   Further, in the power generation device of the present embodiment, since the above-described SOI substrate is used as the element formation substrate 120, the buried oxide film 120b of the SOI substrate is used as an etching stopper layer when forming the cantilever portion 22 during manufacturing. By using it, the thickness of the cantilever portion 22 can be increased in accuracy, and the reliability can be improved and the cost can be reduced. However, the element formation substrate 120 is not limited to an SOI substrate, and may be a single crystal silicon substrate, for example.

また、本実施形態では、下部電極24aをTi膜とPt膜との積層膜により構成し、上部電極24c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く、下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれを単層構造としてもよく、下部電極24aの材料としては、例えば、Alを採用してもよく、上部電極24cの材料としては、例えば、Mo,Al,Ptなどを採用してもよい。   In the present embodiment, the lower electrode 24a is constituted by a laminated film of a Ti film and a Pt film, and the upper electrode 24c is constituted by a laminated film of a Ti film and an Au film. However, these materials and layer structures are used. Is not particularly limited, and each of the lower electrode 24a and the upper electrode 24c may have a single-layer structure. As a material of the lower electrode 24a, for example, Al may be adopted, and as a material of the upper electrode 24c, For example, Mo, Al, Pt, etc. may be adopted.

なお、本実施形態の発電デバイスでは、下部電極24aの厚みを100nm、圧電層24bの厚みを600nm、上部電極24cの厚みを100nm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 of the present embodiment, the thickness of the lower electrode 24a is set to 100 nm, the thickness of the piezoelectric layer 24b is set to 600 nm, and the thickness of the upper electrode 24c is set to 100 nm. Not what you want.

以下、本実施形態の発電デバイスの製造方法について図3を参照しながら説明するが、同図(a)〜(g)は図1(a)のA−B断面に対応する部位を示している。   Hereinafter, although the manufacturing method of the electric power generating device of this embodiment is demonstrated, referring FIG. 3, the figure (a)-(g) has shown the site | part corresponding to the AB cross section of Fig.1 (a). .

まず、上述のSOI基板からなる素子形成基板120の上記一表面側および上記他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜29a,29b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3(a)に示す構造を得る。   First, by performing an insulating film forming step of forming insulating films 29a and 29b made of a silicon oxide film on the one surface side and the other surface side of the element forming substrate 120 made of the SOI substrate, respectively, by a thermal oxidation method or the like. The structure shown in FIG.

その後、素子形成基板120の上記一表面側の全面に下部電極24a、接続配線26aおよび下部電極用パッド27aの基礎となるAu層からなる金属層240a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い、続いて、素子形成基板120の上記一表面側の全面に圧電材料(例えば、PZTなど)からなる圧電層24bの基礎となる圧電膜(例えば、PZT膜など)240b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3(b)に示す構造を得る。なお、金属層240aは、Au層に限らず、例えば、Al層やAl−Si層でもよいし、Au層と当該Au層と絶縁膜29a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、例えば、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。   Thereafter, a metal layer 240a is formed on the entire surface of the element formation substrate 120 on the one surface side by a sputtering method, a CVD method, or the like, by a sputtering method, a CVD method or the like. Next, a piezoelectric film (for example, PZT film) 240b, which is the basis of the piezoelectric layer 24b made of a piezoelectric material (for example, PZT), is sputtered on the entire surface of the element forming substrate 120 on the one surface side. The structure shown in FIG. 3B is obtained by performing a piezoelectric film forming process formed by the CVD method, the sol-gel method, or the like. The metal layer 240a is not limited to the Au layer, and may be, for example, an Al layer or an Al—Si layer, or an adhesion improving Ti layer interposed between the Au layer and the Au layer and the insulating film 29a. You may comprise. Here, the material of the adhesion layer is not limited to Ti, and may be, for example, Cr, Nb, Zr, TiN, TaN, or the like.

上述の圧電膜形成工程の後、圧電膜240b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することで圧電膜240bの一部からなる圧電層24b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3(c)に示す構造を得る。   By performing the piezoelectric film patterning step of forming the piezoelectric layer 24b formed of a part of the piezoelectric film 240b by patterning the piezoelectric film 240b using the photolithography technique and the etching technique after the piezoelectric film forming process described above, The structure shown in FIG.

その後、上述の金属層240a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することでそれぞれ金属層240aの一部からなる下部電極24a、接続配線26a、下部電極用パッド27a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3(d)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、金属層パターニング工程で金属層240aをパターニングすることによって、下部電極24aと併せて接続配線26aおよび下部電極用パッド27a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240aをパターニングすることで下部電極24aのみを形成するようにし、その後、接続配線26aおよびパッド27aを形成する配線形成工程を別途に設けてもよいし、接続配線26aを形成する接続配線形成工程と下部電極用パッド27a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240a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。   Thereafter, the above-described metal layer 240a is patterned using a photolithography technique and an etching technique to form the lower electrode 24a, the connection wiring 26a, and the lower electrode pad 27a, each of which is a part of the metal layer 240a. By performing the process, the structure shown in FIG. In this embodiment, the metal layer 240a is patterned in the metal layer patterning step to form the connection wiring 26a and the lower electrode pad 27a together with the lower electrode 24a. However, the present invention is not limited to this. Only the lower electrode 24a may be formed by patterning the metal layer 240a in the patterning step, and then a wiring formation step for forming the connection wiring 26a and the pad 27a may be provided separately, or the connection wiring 26a is formed. The connection wiring forming step and the lower electrode pad forming step for forming the lower electrode pad 27a may be provided separately. In the etching of the metal layer 240a, for example, an RIE method or an ion milling method may be employed.

上述の金属層パターニング工程により下部電極24a、接続配線26a、および下部電極用パッド27aを形成した後、素子形成基板120の上記一表面側に絶縁層25を形成する絶縁層形成工程を行うことによって、図3(e)に示す構造を得る。絶縁層形成工程では、素子形成基板120の上記一表面側の全面に絶縁層25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層25を形成するようにしてもよい。   By forming the lower electrode 24a, the connection wiring 26a, and the lower electrode pad 27a by the above-described metal layer patterning step, an insulating layer forming step for forming the insulating layer 25 on the one surface side of the element forming substrate 120 is performed. The structure shown in FIG. 3 (e) is obtained. In the insulating layer forming step, the insulating layer 25 is formed on the entire surface of the element formation substrate 120 on the one surface side by the CVD method and then patterned using the photolithography technique and the etching technique. The insulating layer 25 may be formed using the above.

上述の絶縁層形成工程の後、上部電極24c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26cおよび上部電極用パッド27c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3(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24cと併せて接続配線26cおよび上部電極用パッド27c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し、また、配線形成工程についても、接続配線26cを形成する接続配線形成工程と上部電極用パッド27c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24c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。   After the above-described insulating layer forming process, the connection electrode 26c is formed simultaneously with the upper electrode forming process in which the upper electrode 24c is formed using a thin film forming technique such as EB vapor deposition, sputtering, or CVD, photolithography, or etching. Further, the structure shown in FIG. 3 (f) is obtained by performing a wiring forming process in which the upper electrode pad 27c is formed using a thin film forming technique such as EB vapor deposition, sputtering, or CVD, photolithography, or etching. Get. In other words, in the present embodiment, in the upper electrode formation process, the connection wiring 26c and the upper electrode pad 27c are formed together with the upper electrode 24c, but not limited to this, the upper electrode formation process and the wiring formation process In addition, the wiring forming process may include a connection wiring forming process for forming the connection wiring 26c and an upper electrode pad forming process for forming the upper electrode pad 27c. Also good. The upper electrode 24c may be etched by dry etching such as RIE or wet etching. For example, the Au film may be wet-etched with a potassium iodide aqueous solution and the Ti film may be wet-etched with hydrogen peroxide water.

上述のようにして上部電極24c、接続配線26c、上部電極用パッド27cを形成した後、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カンチレバー部22および錘部23およびフレーム部21を形成する基板加工工程を行うことでカンチレバー形成基板20を形成することによって、図3(g)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素子形成基板120の上記一表面側から素子形成基板120のうちカンチレバー部22および錘部23およびフレーム部21以外の部位を第1の所定深さまでエッチングする(ここでは、埋込酸化膜120bに達する深さまでシリコン層120cをエッチングする)ことで表面溝を形成する表面溝形成工程を行い、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素子形成基板120の上記他表面側から素子形成基板120において錘部23およびフレーム部21以外の部位を第2の所定深さまでエッチングする(ここでは、埋込酸化膜120bに達する深さまで支持基板120a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い、続いて、埋込酸化膜120bの不要部分をエッチング除去して表面溝と裏面溝とを連通させることで錘部23およびフレーム部21と併せてカンチレバー部22を形成する酸化膜エッチング工程とを行うことによって、図3(g)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、基板加工工程の表面溝形成工程および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素子形成基板120をエッチングしているので、カンチレバー部22の裏面と矩形枠状のフレーム部120の内側面とのなす角度を略90度とすることができる。しかして、上述のように、圧電変換領域のフレーム部21側の端を、フレーム部21とカンチレバー部22との境界に精度良く揃え、圧電変換領域の錘部23側の端を、錘部23の端に精度良く揃えることができる。なお、基板加工工程の表面溝形成工程および裏面溝形成工程は、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、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。   After forming the upper electrode 24c, the connection wiring 26c, and the upper electrode pad 27c as described above, the substrate processing for forming the cantilever portion 22, the weight portion 23, and the frame portion 21 using a photolithography technique, an etching technique, and the like. By forming the cantilever forming substrate 20 by performing the steps, the structure shown in FIG. 3G is obtained. Here, in the substrate processing step, parts other than the cantilever part 22, the weight part 23, and the frame part 21 of the element forming substrate 120 from the one surface side of the element forming substrate 120 are utilized by using a photolithography technique, an etching technique, and the like. Etching to a first predetermined depth (here, the silicon layer 120c is etched to a depth reaching the buried oxide film 120b) to perform a surface groove forming step for forming a surface groove, followed by photolithography and etching. Using a technique or the like, the portion other than the weight portion 23 and the frame portion 21 in the element forming substrate 120 is etched from the other surface side of the element forming substrate 120 to the second predetermined depth (here, the buried oxide film 120b is formed). Etching the support substrate 120a to a depth that can be reached) Then, a cantilever portion 22 is formed together with the weight portion 23 and the frame portion 21 by etching away unnecessary portions of the buried oxide film 120b and connecting the front surface groove and the back surface groove. By performing the oxide film etching step, the power generation device having the structure shown in FIG. By the way, in this embodiment, the element forming substrate 120 is etched using an inductively coupled plasma (ICP) type etching apparatus capable of vertical deep digging in the front surface groove forming step and the back surface groove forming step of the substrate processing step. The angle formed between the back surface of the cantilever portion 22 and the inner surface of the rectangular frame-shaped frame portion 120 can be approximately 90 degrees. Thus, as described above, the end of the piezoelectric conversion region on the frame portion 21 side is accurately aligned with the boundary between the frame portion 21 and the cantilever portion 22, and the end of the piezoelectric conversion region on the weight portion 23 side is aligned with the weight portion 23. Can be accurately aligned with the edges of the. Note that the front surface groove forming step and the back surface groove forming step in the substrate processing step are not limited to dry etching using an ICP type dry etching apparatus, but wet etching (crystal difference) using an alkaline solution such as a TMAH aqueous solution or a KOH aqueous solution. (Isotropic etching).

ここにおいて、カンチレバー形成基板20と圧電変換部24とを備えた発電デバイスは、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。   Here, the power generation device including the cantilever forming substrate 20 and the piezoelectric conversion unit 24 is divided into individual power generation devices by performing the dicing process after performing the substrate processing process at the wafer level. ing.

以上説明した本実施形態の発電デバイスでは、図2(a)に示すように、圧電変換部24において圧電層24bと下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれとが接する圧電変換領域のフレーム部21側の端(図2(a)中の下向きの矢印の位置)を、フレーム部21とカンチレバー部22との境界(図2(a)中の上向きの矢印の位置)に揃えてあるので、図2(b)に示すように、圧電変換領域のフレーム部21側の端(図2(b)中の下向きの矢印の位置)がフレーム部21とカンチレバー部22との境界におけるフレーム部21側の位置(図2(b)中の上向きの矢印の位置)にある場合に比べて、発電効率の向上による発電量の向上を図れ、また、図2(c)に示すように、圧電変換領域のフレーム部21側の端(図2(c)中の下向きの矢印の位置)がフレーム部21とカンチレバー部22との境界におけるカンチレバー部22側の位置(図2(c)中の上向きの矢印の位置)にある場合に比べて、カンチレバー部22の振動時に応力が高くなる部分(カンチレバー部22におけるフレーム部21との境界付近)に存在する圧電変換領域の面積を増大でき、発電効率を向上できる。   In the power generation device of the present embodiment described above, as shown in FIG. 2A, in the piezoelectric conversion portion 24, the piezoelectric layer 24b, the lower electrode 24a, and the upper electrode 24c are in contact with the frame portion 21 side of the piezoelectric conversion region. Since the end (the position of the downward arrow in FIG. 2A) is aligned with the boundary (the position of the upward arrow in FIG. 2A) between the frame portion 21 and the cantilever portion 22, FIG. As shown in b), the end of the piezoelectric conversion region on the frame part 21 side (the position of the downward arrow in FIG. 2B) is the position on the frame part 21 side at the boundary between the frame part 21 and the cantilever part 22 ( Compared to the case of the upward arrow in FIG. 2B, the amount of power generation can be improved by improving the power generation efficiency, and as shown in FIG. 2C, the frame portion of the piezoelectric conversion region 21 side end (in FIG. 2C) Compared with the case where the position of the downward arrow) is at the position on the cantilever part 22 side (position of the upward arrow in FIG. 2C) at the boundary between the frame part 21 and the cantilever part 22, the vibration of the cantilever part 22 It is possible to increase the area of the piezoelectric conversion region existing in a portion where stress sometimes increases (near the boundary between the cantilever portion 22 and the frame portion 21), and to improve power generation efficiency.

また、本実施形態の発電デバイスでは、上部電極24cと圧電層24bとの接するエリアを規定し且つ上部電極24cと下部電極24aとの短絡を防止する絶縁層25がカンチレバー形成基板20の上記一表面側に形成され、当該絶縁層25により圧電層24bと上部電極24cとが接する位置であってフレーム部21側の端の位置が規定されているので、圧電層24bをフレーム部21上まで延長して形成することができ、製造時の圧電層24bのパターニング精度によらず、カンチレバー部22の全長に亘って圧電層24bを形成することができ、当該パターニング精度に起因した発電量の低下やばらつきを抑制できる。   In the power generation device of this embodiment, the insulating layer 25 that defines an area where the upper electrode 24c and the piezoelectric layer 24b are in contact and prevents a short circuit between the upper electrode 24c and the lower electrode 24a is provided on the one surface of the cantilever forming substrate 20. Since the position of the end on the frame portion 21 side is defined by the insulating layer 25 where the piezoelectric layer 24b and the upper electrode 24c are in contact with each other, the piezoelectric layer 24b is extended onto the frame portion 21. Regardless of the patterning accuracy of the piezoelectric layer 24b at the time of manufacture, the piezoelectric layer 24b can be formed over the entire length of the cantilever portion 22, and the power generation amount decreases or varies due to the patterning accuracy. Can be suppressed.

また、本実施形態の発電デバイスでは、絶縁層25の平面視形状が、上部電極24cの周部に沿った枠状であるので、絶縁層25が上部電極24cの周部の周方向の一部のみに沿った形状に形成されている場合に比べて、発電効率を向上できる。   Further, in the power generation device of the present embodiment, since the planar view shape of the insulating layer 25 is a frame shape along the peripheral portion of the upper electrode 24c, the insulating layer 25 is part of the peripheral direction of the peripheral portion of the upper electrode 24c. The power generation efficiency can be improved as compared with the case where the shape is formed only along the shape.

また、本実施形態の発電デバイスでは、絶縁層25が、SiOもしくはSiにより形成されているので、絶縁層25がレジストである場合に比べて絶縁性および耐熱性を向上できる。 Further, in the power generation device of the present embodiment, since the insulating layer 25 is formed of SiO 2 or Si 3 N 4 , the insulation and heat resistance can be improved compared to the case where the insulating layer 25 is a resist.

また、本実施形態の発電デバイスでは、上述のように、平面視において、下部電極24aの外周線の内側に圧電層24bが位置しているので、上述の製造方法でも説明したように、素子形成基板120の上記一表面側の全面に下部電極24aの基礎となる金属層240aを形成した後で、素子形成基板120の上記一表面側の全面に圧電層24bの基礎となる圧電膜240bを形成してから、当該圧電膜240bをパターニングすることで当該圧電膜240bの一部からなる圧電層24bを形成する製造プロセスを採用することができ、素子形成基板120の上記一表面側に所定形状の下部電極24aを形成してから、圧電膜240bを形成し当該圧電膜240bをパターニングすることで圧電層24bを形成する製造プロセスを採用する場合に比べて、圧電層24bの結晶性を向上でき、発電効率の向上を図れる。   Further, in the power generation device of the present embodiment, as described above, since the piezoelectric layer 24b is located inside the outer peripheral line of the lower electrode 24a in plan view, as described in the above manufacturing method, element formation is performed. After the metal layer 240a serving as the basis of the lower electrode 24a is formed on the entire surface on the one surface side of the substrate 120, the piezoelectric film 240b serving as the basis of the piezoelectric layer 24b is formed on the entire surface on the one surface side of the element forming substrate 120. After that, by patterning the piezoelectric film 240b, a manufacturing process for forming the piezoelectric layer 24b made of a part of the piezoelectric film 240b can be adopted, and a predetermined shape is formed on the one surface side of the element forming substrate 120. When the manufacturing process of forming the piezoelectric layer 24b by forming the lower electrode 24a, forming the piezoelectric film 240b, and patterning the piezoelectric film 240b is employed. Compared to, it can improve the crystallinity of the piezoelectric layer 24b, thereby improving the power generation efficiency.

なお、本実施形態では、カンチレバー部22の平面視形状が台形状となっているが、これに限らず、例えば、長方形状でもよいし、錘部23から離れてフレーム部21に近づくほど幅寸法が徐々に小さくなり幅方向の両側の外周線がn次曲線(n≧2)により規定される形状(この場合、カンチレバー部22の両側縁が曲面となる)でもよい。   In addition, in this embodiment, the planar view shape of the cantilever part 22 is trapezoidal shape. However, the shape is not limited to this. For example, the cantilever part 22 may be a rectangular shape, and the width dimension becomes closer to the frame part 21 away from the weight part 23. The outer peripheral lines on both sides in the width direction may have a shape defined by an nth-order curve (n ≧ 2) (in this case, both side edges of the cantilever portion 22 are curved surfaces).

また、図1に示した構成の発電デバイスにおいて、上部電極24cと圧電層24bとの接するエリアを規定し且つ上部電極24cと下部電極24aとの短絡を防止する絶縁層25を、カンチレバー形成基板20の上記一表面側においてフレーム部21上まで延設し、上部電極24cと当該上部電極24cに電気的に接続される上部電極用パッド27cとの間の接続配線26cの全ての部位を絶縁層25上に形成し、上部電極用パッド27cを絶縁層25の平坦な部位上に形成するようにすれば、接続配線26cの下地となる部分の段差を低減でき、圧電層24bの膜厚を大きくしながらも上部電極24cと上部電極用パッド27cとを電気的に接続する接続配線26cの断線を防止することができ、発電効率の向上を図れるとともに信頼性の向上を図れ、しかも、上部電極用パッド27cとSOI基板や単結晶シリコン基板などの半導体基板により構成される素子形成基板120との間の寄生容量の低減による発電効率の向上も図れる。ここにおいて、本実施形態の発電デバイスでは、上述のように、平面視において、下部電極24aの外周線の内側に圧電層24bが位置し、圧電層24bの外周線の内側に上部電極24cが位置しているので、下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとが同じ平面サイズである場合に比べて、接続配線26cの下地となる部分の段差を低減できる。   Further, in the power generation device having the configuration shown in FIG. 1, the insulating layer 25 that defines the area where the upper electrode 24c and the piezoelectric layer 24b are in contact and prevents the upper electrode 24c and the lower electrode 24a from being short-circuited is provided on the cantilever-forming substrate 20. All the portions of the connection wiring 26c between the upper electrode 24c and the upper electrode pad 27c electrically connected to the upper electrode 24c are extended to the frame portion 21 on the one surface side of the insulating layer 25. If the upper electrode pad 27c is formed on the flat portion of the insulating layer 25, the level difference in the underlying portion of the connection wiring 26c can be reduced, and the film thickness of the piezoelectric layer 24b is increased. However, it is possible to prevent disconnection of the connection wiring 26c that electrically connects the upper electrode 24c and the upper electrode pad 27c, thereby improving power generation efficiency and reliability. Hakare on, moreover, thereby also improving the power generation efficiency by reducing the parasitic capacitance between the formed element forming substrate 120 by a semiconductor substrate such as a pad 27c and the SOI substrate and a single crystal silicon substrate for the upper electrode. Here, in the power generation device of the present embodiment, as described above, the piezoelectric layer 24b is positioned inside the outer peripheral line of the lower electrode 24a and the upper electrode 24c is positioned inside the outer peripheral line of the piezoelectric layer 24b in plan view. Therefore, compared with the case where the lower electrode 24a, the piezoelectric layer 24b, and the upper electrode 24c have the same planar size, the level difference of the portion serving as the base of the connection wiring 26c can be reduced.

ところで、図1に示した発電デバイスは、カンチレバー形成基板20と圧電変換部24とで構成されているが、図4および図5に示すように、第1のカバー形成用基板30aを用いて形成されカンチレバー形成基板20の上記一表面側においてフレーム部21に固着された第1のカバー基板30と、第2のカバー形成用基板10aを用いて形成されカンチレバー形成基板20の他表面側においてフレーム部21に固着された第2のカバー基板10とを設けるようにしてもよい。   Incidentally, the power generation device shown in FIG. 1 is composed of the cantilever forming substrate 20 and the piezoelectric conversion portion 24, and is formed using the first cover forming substrate 30a as shown in FIGS. The first cover substrate 30 fixed to the frame portion 21 on the one surface side of the cantilever forming substrate 20 and the second cover forming substrate 10a and the frame portion on the other surface side of the cantilever forming substrate 20 are formed. A second cover substrate 10 fixed to 21 may be provided.

以下、図4および図5に示した発電デバイスについて説明するが、上述の図1と同じ構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。   Hereinafter, the power generation device shown in FIGS. 4 and 5 will be described, but the same components as those in FIG.

第1のカバー基板30は、第1のカバー形成用基板30aとして第1のシリコン基板を用いており、第1のカバー形成用基板30aにおけるカンチレバー形成基板20側の一表面に、カンチレバー部22と錘部23とからなる可動部の変位空間をカンチレバー形成基板20との間に形成するための凹所30bが形成されている。   The first cover substrate 30 uses a first silicon substrate as the first cover forming substrate 30a, and a cantilever portion 22 is formed on one surface of the first cover forming substrate 30a on the cantilever forming substrate 20 side. A recess 30 b is formed for forming a displacement space of the movable part composed of the weight part 23 with the cantilever forming substrate 20.

また、第1のカバー基板30は、第1のカバー形成用基板30aの他表面側に、発電部である圧電変換部24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35,35が形成されており、各出力用電極35,35が、第1のカバー形成用基板30aの上記一表面側に形成された連絡用電極34,34と、第1のカバー形成用基板30aの厚み方向に貫設された貫通孔配線33,33を介して電気的に接続されている。ここで、第1のカバー基板30は、各連絡用電極34,34がカンチレバー形成基板20の下部電極用パッド27a,上部電極用パッド27cと接合されて電気的に接続されている。なお、本実施形態では、各出力用電極35,35および各連絡用電極34,34をTi膜とAu膜との積層膜により構成してあるが、これらの材料は特に限定するものではない。また、各貫通孔配線33,33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。   Further, the first cover substrate 30 is provided with output electrodes 35 and 35 for supplying the AC voltage generated by the piezoelectric conversion unit 24 serving as a power generation unit to the other surface side of the first cover forming substrate 30a. The output electrodes 35 and 35 are connected to the contact electrodes 34 and 34 formed on the one surface side of the first cover forming substrate 30a and the thickness of the first cover forming substrate 30a. They are electrically connected through through-hole wirings 33, 33 penetrating in the direction. Here, the first cover substrate 30 is electrically connected by connecting each of the contact electrodes 34, 34 to the lower electrode pad 27 a and the upper electrode pad 27 c of the cantilever forming substrate 20. In the present embodiment, the output electrodes 35 and 35 and the connection electrodes 34 and 34 are formed of a laminated film of a Ti film and an Au film, but these materials are not particularly limited. Moreover, although Cu is adopted as the material of each through-hole wiring 33, 33, it is not limited thereto, and for example, Ni, Al, etc. may be adopted.

本実施形態では、第1のカバー形成用基板30aとして第1のSi基板を用いているので、第1のカバー基板30は、2つの出力用電極35,35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32が、第1のカバー形成用基板30aの上記一表面側および上記他表面側と、貫通孔配線33,33が内側に形成された貫通孔31の内周面とに跨って形成されている。なお、第1のカバー形成用基板30aとしてガラス基板のような絶縁性基板を用いる場合には、このような絶縁膜32は設ける必要はない。   In the present embodiment, since the first Si substrate is used as the first cover forming substrate 30a, the first cover substrate 30 is silicon for preventing a short circuit between the two output electrodes 35, 35. An insulating film 32 made of an oxide film is formed on the one surface side and the other surface side of the first cover forming substrate 30a and on the inner peripheral surface of the through hole 31 in which the through hole wirings 33 and 33 are formed. It is formed straddling. In the case where an insulating substrate such as a glass substrate is used as the first cover forming substrate 30a, the insulating film 32 need not be provided.

また、第2のカバー基板10は、第2のカバー形成用基板10aとして第2のSi基板を用いており、第2のカバー形成用基板10aにおけるカンチレバー形成基板20側の一表面に、カンチレバー部22と錘部23とからなる可動部の変位空間をカンチレバー形成基板20との間に形成するための凹所10bが形成されている。なお、第2のカバー形成用基板10aとしても、ガラス基板のような絶縁性基板を用いてもよい。   The second cover substrate 10 uses a second Si substrate as the second cover forming substrate 10a, and a cantilever portion is formed on one surface of the second cover forming substrate 10a on the cantilever forming substrate 20 side. A recess 10 b is formed for forming a displacement space of the movable part composed of 22 and the weight part 23 between the cantilever forming substrate 20. Note that an insulating substrate such as a glass substrate may be used as the second cover forming substrate 10a.

また、上述のカンチレバー形成基板20の上記一表面側には、第1のカバー基板30と接合するための複数(図示例では、4つ)の第1の接合用金属層28が形成されており、第1のカバー基板30には、第1の接合用金属層28に接合される複数の第2の接合用金属層(図示せず)が形成されている。   A plurality (four in the illustrated example) of first bonding metal layers 28 for bonding to the first cover substrate 30 are formed on the one surface side of the cantilever forming substrate 20 described above. The first cover substrate 30 is formed with a plurality of second bonding metal layers (not shown) bonded to the first bonding metal layer 28.

ここで、カンチレバー形成基板20と各カバー基板10,30とを、常温接合法により接合している(なお、絶縁層25上に上部電極用パッド27cを形成する場合には、上述の絶縁層25をより広い範囲まで延設して上部電極用パッド27cだけでなく、下部電極用パッド27a、各第1の接合用金属層28を絶縁層25上に上部電極用パッド27cと同一材料で同一厚さで形成することが好ましい)。ただし、カンチレバー形成基板20と各カバー基板10,30との接合方法は、常温接合法に限らず、例えば、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や、陽極接合法などを採用してもよい。   Here, the cantilever forming substrate 20 and the cover substrates 10 and 30 are bonded by a room temperature bonding method (in the case where the upper electrode pad 27c is formed on the insulating layer 25, the insulating layer 25 described above is used. Are extended to a wider range, and not only the upper electrode pad 27c but also the lower electrode pad 27a and the first bonding metal layer 28 are formed on the insulating layer 25 with the same material and thickness as the upper electrode pad 27c. It is preferable to form it. However, the bonding method between the cantilever-forming substrate 20 and the cover substrates 10 and 30 is not limited to the room temperature bonding method, and for example, a resin bonding method using an epoxy resin or the like, an anodic bonding method, or the like may be employed.

なお、図4および図5に示した発電デバイスの製造にあたっては、カンチレバー形成基板20を形成した後、各カバー基板10,30を接合するカバー接合工程を行うようにすればよく、カバー接合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ればよい。ここにおいて、各カバー基板10,30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。   In manufacturing the power generation device shown in FIGS. 4 and 5, after forming the cantilever forming substrate 20, a cover joining step for joining the cover substrates 10 and 30 may be performed. What is necessary is just to divide | segment into each electric power generation device by performing a dicing process after performing until completion | finish at a wafer level. Here, the cover substrates 10 and 30 may be formed by appropriately applying known processes such as a photolithography process, an etching process, a thin film forming process, and a plating process.

ところで、上述の実施形態の発電デバイスでは、下部電極24a上に圧電層24bを形成しているが、圧電層24bと下部電極24aとの間に、圧電層24bの成膜時の下地となるシード層を介在させることで圧電層24bの結晶性を更に向上させてもよいことは勿論である。ここで、シード層の材料としては、例えば、導電性酸化物材料の一種であるSrRuO3、(Pb,La)TiO3、PbTiO3などを採用すればよい。 By the way, in the electric power generation device of the above-mentioned embodiment, the piezoelectric layer 24b is formed on the lower electrode 24a. However, a seed serving as a base when the piezoelectric layer 24b is formed between the piezoelectric layer 24b and the lower electrode 24a. Of course, the crystallinity of the piezoelectric layer 24b may be further improved by interposing a layer. Here, as the material of the seed layer, for example, SrRuO 3 , (Pb, La) TiO 3 , PbTiO 3 or the like, which is a kind of conductive oxide material, may be employed.

また、上述の実施形態の発電デバイスは、カンチレバー部22の先端部に錘部23が設けられているので、錘部23を有していない場合に比べて、発電量を大きくすることができる。   Moreover, since the power generation device of the above-mentioned embodiment is provided with the weight part 23 at the tip part of the cantilever part 22, the power generation amount can be increased as compared with the case where the weight part 23 is not provided.

20 カンチレバー形成基板
21 フレーム部(支持部)
22 カンチレバー部
23 錘部
24 圧電変換部(発電部)
24a 下部電極
24b 圧電層
24c 上部電極
25 絶縁層
26a 接続配線
26c 接続配線
27a 下部電極用パッド(パッド)
27c 上部電極用パッド(パッド)
120 素子形成基板
20 Cantilever forming substrate 21 Frame part (support part)
22 Cantilever part 23 Weight part 24 Piezoelectric conversion part (power generation part)
24a Lower electrode 24b Piezoelectric layer 24c Upper electrode 25 Insulating layer 26a Connection wiring 26c Connection wiring 27a Lower electrode pad (pad)
27c Pad for upper electrode (pad)
120 element forming substrate

Claims (4)

素子形成基板を用いて形成されて支持部および支持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、カンチレバー部に形成され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からなる発電部とを備え、発電部が、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重なる部位に形成された下部電極と、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を有し、下部電極および上部電極それぞれが、カンチレバー形成基板の前記一表面側において支持部に重なる部位に形成された各別のパッドと電気的に接続されてなる発電デバイスであって、圧電変換部において圧電層と下部電極および上部電極それぞれとが接する圧電変換領域の支持部側の端を、支持部とカンチレバー部との境界に揃えてあることを特徴とする発電デバイス。   A cantilever forming substrate that is formed using an element forming substrate and has a cantilever portion that is swingably supported by the support portion, and a piezoelectric conversion that generates an AC voltage in response to the vibration of the cantilever portion formed on the cantilever portion. And a piezoelectric layer formed on the opposite side of the lower electrode from the cantilever part side, the lower electrode formed on the surface of the cantilever forming substrate on the surface overlapping the cantilever part. And an upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric layer from the lower electrode side, and each of the lower electrode and the upper electrode is formed in a portion overlapping the support portion on the one surface side of the cantilever forming substrate. A power generation device electrically connected to another pad, wherein each of the piezoelectric layer, the lower electrode and the upper electrode in the piezoelectric conversion unit Power generation device, wherein a contact end of the supporting portion side of the piezoelectric transducer region, are aligned to the boundary between the supporting portion and the cantilever portion. 前記上部電極と前記圧電層との接するエリアを規定し且つ前記上部電極と前記下部電極との短絡を防止する絶縁層が前記カンチレバー形成基板の前記一表面側に形成され、当該絶縁層により前記圧電層と前記上部電極とが接する位置であって前記支持部側の端の位置が規定されてなることを特徴とする請求項1記載の発電デバイス。   An insulating layer that defines an area where the upper electrode and the piezoelectric layer are in contact and prevents a short circuit between the upper electrode and the lower electrode is formed on the one surface side of the cantilever forming substrate, and the piezoelectric layer is used to form the piezoelectric layer. The power generation device according to claim 1, wherein a position where the layer and the upper electrode are in contact with each other and a position of an end on the support portion side is defined. 前記絶縁層の平面視形状が、前記上部電極の周部に沿った枠状であることを特徴とする請求項2記載の発電デバイス。   The power generation device according to claim 2, wherein a shape of the insulating layer in a plan view is a frame shape along a peripheral portion of the upper electrode. 前記絶縁層は、SiOもしくはSiにより形成されてなることを特徴とする請求項2または請求項3記載の発電デバイス。 The power generation device according to claim 2 , wherein the insulating layer is made of SiO 2 or Si 3 N 4 .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011132636A1 (en) * 2010-04-21 2011-10-27 パナソニック電工株式会社 Ferroelectric device
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