JP2014217178A - Electret device - Google Patents
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Abstract
【課題】エレクトレット素子の電荷保持安定性を向上させる。【解決手段】基板108と、基板108上に形成されたエレクトレット膜103と、基板108上でエレクトレット膜103が形成されていない領域に形成された導電性電極104とを有するエレクトレット素子100において、エレクトレット膜103と導電性電極104との間に凹構造105を設けることによって、エレクトレット膜103に保持された電荷の導電性電極104への流出を防止することができる。【選択図】図1To improve the charge retention stability of an electret device. An electret element 100 includes a substrate 108, an electret film 103 formed on the substrate 108, and a conductive electrode 104 formed in a region where the electret film 103 is not formed on the substrate 108. By providing the concave structure 105 between the film 103 and the conductive electrode 104, it is possible to prevent the electric charge held in the electret film 103 from flowing out to the conductive electrode 104. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、エレクトレット素子に関する。 The present invention relates to an electret element.
従来より、半永久的に電荷を保持する誘電体であるエレクトレットを用い、エレクトレットに接近する導体に生ずる静電誘導を利用し、振動エネルギーを電気エネルギーへ変換する振動発電器が提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a vibration power generator has been proposed that uses an electret, which is a dielectric that holds a charge semipermanently, and uses electrostatic induction generated in a conductor approaching the electret to convert vibration energy into electrical energy.
図12に、特許文献1に記載された振動発電器10の断面概略図を示す。この振動発電器10は、複数の集電電極13を備えた第1の基板11と、複数のエレクトレット膜15を備えた第2の基板16とから構成される。前記第1の基板11と前記第2の基板16は、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。第2の基板16は固定されており、第1の基板11の両側面にはバネ19が接続され、バネ19は固定構造17に接続されている。外部の振動により第1の基板11は側方運動を行い、バネ19のバネ力で定位置に戻る。この動きにより、エレクトレット素子15と、対向する集電電極13との重なり面積の増減が生じ、集電電極13に誘導される電荷が変化する。静電誘導型振動発電器は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。
In FIG. 12, the cross-sectional schematic of the vibration
図13は、特許文献2に記載された、固定基板32と可動基板31とを含むエネルギー変換素子に含まれるエレクトレット素子30の断面図である。エレクトレット素子30は、固定基板32上に形成されたベース電極37を含むエレクトレット38とガード電極39から構成されている。エレクトレット38とガード電極39は絶縁被膜33で覆われている。ガード電極39を設けることで、固定基板32と可動基板31の相対的な位置関係の変化により、エレクトレット38と対向電極が完全に重なっているときの静電容量と、両者が全く重なっていないときの静電容量の差が増大し、発電出力を増大することができる。
FIG. 13 is a cross-sectional view of the
本発明は、エレクトレットの電荷保持安定性を向上させ、特にエレクトレット周囲への電荷流出をより防止することができる、エレクトレット素子を提供する。 The present invention provides an electret element that can improve the charge retention stability of the electret, and in particular can prevent the outflow of charges around the electret.
本発明の一実施形態は、
基板と、
前記基板の少なくとも一つの表面上に形成されたエレクトレット膜と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面上で、前記エレクトレット膜が形成されていない領域に形成された導電性電極と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面に形成された、凹構造、凸構造またはその組み合わせから選択される少なくとも1つの非平坦構造と
を有し、
前記基板の前記エレクトレット膜が形成されている表面は絶縁性であり、
前記非平坦構造は、前記エレクトレットおよび前記導電性電極がともに形成されていない領域に位置する、
エレクトレット素子である。
One embodiment of the present invention
A substrate,
An electret film formed on at least one surface of the substrate;
A conductive electrode formed in a region where the electret film is not formed on the at least one surface of the substrate;
And at least one non-flat structure selected from a concave structure, a convex structure, or a combination thereof, formed on the at least one surface of the substrate,
The surface of the substrate on which the electret film is formed is insulative,
The non-flat structure is located in a region where neither the electret nor the conductive electrode is formed.
It is an electret element.
本発明の一実施形態に係るエレクトレット素子によれば、エレクトレット膜の電荷保持安定性を向上させ、特にエレクトレット膜周囲への電荷流出を防止することができる。よって、本発明の一実施形態に係るエレクトレット素子を用いれば、発電出力の安定性に優れた振動発電器を提供することができる。 According to the electret device according to the embodiment of the present invention, the charge retention stability of the electret film can be improved, and in particular, the outflow of charge around the electret film can be prevented. Therefore, if the electret element which concerns on one Embodiment of this invention is used, the vibration power generator excellent in stability of electric power generation output can be provided.
(本発明の一実施形態に至った経緯)
エレクトレットに保持された電荷は、互いの静電反発力により電荷密度の高い領域から低い領域へ時間の経過とともに拡散する。電荷の拡散はエレクトレットからの電荷の流出を招き、それは振動発電器の発電出力の減少につながる。また、特許文献2に記載のエレクトレット素子30では、ガード電極39の設置により発電出力が増大するものの、エレクトレット38に保持された電荷が導電性電極へ引き寄せられるため、電荷の流出が加速される。
(Background to the embodiment of the present invention)
The charges held in the electret are diffused over time from a region having a high charge density to a region having a low charge density by mutual electrostatic repulsion. Charge diffusion leads to charge discharge from the electret, which leads to a decrease in the power output of the vibration generator. Further, in the
このように、エレクトレットにおいては、電荷の拡散およびガード電極に向かう電荷の移動に起因して、電荷の流出が経時的に生じ、これは例えば振動発電器の発電出力の経時的低下を招く。本発明者らは、電荷がエレクトレットから流出して、基板表面を移動するときに、電荷に作用する電界の方向等を考慮して、電荷の流出を抑制する構成を検討した。その結果、エレクトレットとガード電極との間で、凹構造または凸構造、もしくはそれらの組み合わせを基板表面に形成することによって、エレクトレットからの電荷の流出を低減させ得ることを見出した。 As described above, in the electret, due to the diffusion of the charges and the movement of the charges toward the guard electrode, the outflow of the charges occurs with time, and this causes, for example, a decrease in the power generation output of the vibration power generator with time. The present inventors have studied a configuration that suppresses the outflow of electric charge in consideration of the direction of the electric field acting on the electric charge when the electric charge flows out of the electret and moves on the substrate surface. As a result, it has been found that the outflow of electric charge from the electret can be reduced by forming a concave structure, a convex structure, or a combination thereof on the substrate surface between the electret and the guard electrode.
(本発明の態様)
本発明の第1の態様は、
基板と、
前記基板の少なくとも一つの表面上に形成されたエレクトレット膜と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面上で、前記エレクトレット膜が形成されていない領域に形成された導電性電極と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面に形成された、凹構造、凸構造またはその組み合わせから選択される少なくとも1つの非平坦構造と
を有し、
前記基板の前記エレクトレット膜が形成されている表面は絶縁性であり、
前記非平坦構造は、前記エレクトレットおよび前記導電性電極がともに形成されていない領域に位置する、
エレクトレット素子である。
(Aspect of the present invention)
The first aspect of the present invention is:
A substrate,
An electret film formed on at least one surface of the substrate;
A conductive electrode formed in a region where the electret film is not formed on the at least one surface of the substrate;
And at least one non-flat structure selected from a concave structure, a convex structure, or a combination thereof, formed on the at least one surface of the substrate,
The surface of the substrate on which the electret film is formed is insulative,
The non-flat structure is located in a region where neither the electret nor the conductive electrode is formed.
It is an electret element.
ここで「エレクトレット」とは、半永久的に電荷を保持することが可能な誘電体のことを意味し、「エレクトレット膜」とはエレクトレットからなる膜を意味し、「エレクトレット素子」とは、エレクトレット(またはエレクトレット膜)を支持する基板、および電極等を含むものを意味する。エレクトレット(またはエレクトレット膜)は複数の誘電体から構成されてもよいし、その複数の誘電体のうち一部または全部に電荷が保持されてもよい。 Here, “electret” means a dielectric capable of holding a charge semipermanently, “electret film” means a film made of an electret, and “electret element” means an electret ( Or the thing containing the board | substrate which supports an electret film | membrane, an electrode, etc. is meant. The electret (or electret film) may be composed of a plurality of dielectrics, and a charge may be held in some or all of the plurality of dielectrics.
エレクトレット素子を構成する基板は一般に平坦な広い表面(主表面)を有し、表面上にエレクトレット膜および導電性電極(ガード電極)が形成される。「凹構造」は、当該平坦な面(エレクトレット膜または導電性電極の底面とほぼ同じ高さ(またはレベル(level)にあるといえる))よりも低い面(または部分)を有する構造であり、「凸構造」は、当該平坦な面よりも高い面(または部分)を有する構造である。凹構造および凸構造の組み合わせは、例えば図8に示すように、凹構造の一部が凸構造の一部と連続している構造を指す。 The substrate constituting the electret element generally has a flat and wide surface (main surface), and an electret film and a conductive electrode (guard electrode) are formed on the surface. The “concave structure” is a structure having a surface (or portion) lower than the flat surface (approximately the same height (or level) as the bottom surface of the electret film or the conductive electrode), The “convex structure” is a structure having a surface (or portion) higher than the flat surface. The combination of the concave structure and the convex structure refers to a structure in which a part of the concave structure is continuous with a part of the convex structure, for example, as shown in FIG.
第1の態様において、非平坦構造は、基板の絶縁性の表面(エレクトレット膜が形成された表面)に形成され、かつエレクトレット膜および導電性電極がともに形成されていない領域に位置している。非平坦構造は、エレクトレット膜および導電性電極の間に形成されているともいえる。この非平坦構造は、エレクトレット膜から導電性電極への電荷の流出を低減することができる。より具体的には、非平坦構造は、エレクトレット膜から流出した電荷が基板の絶縁性の面に沿って導電性電極に向かって移動する場合に、電荷の移動距離を増大させ、それにより電荷の流出を低減させ得る。また、非平坦構造においては、基板の表面よりも低い部分と基板の表面とをつなぐ部分(当該部分は「側壁)とも呼ぶ)が、電荷に対して、導電性電極が電荷を引き込む電界とは異なる向き、例えば当該電界に対して垂直な進路を与える。それにより、電荷移動の駆動力となる電界の影響を小さくすることができ、電荷の導電性電極への流出を低減することができる。 In the first aspect, the non-flat structure is formed on the insulating surface of the substrate (the surface on which the electret film is formed) and is located in a region where neither the electret film nor the conductive electrode is formed. It can be said that the non-flat structure is formed between the electret film and the conductive electrode. This non-flat structure can reduce the outflow of charges from the electret film to the conductive electrode. More specifically, the non-flat structure increases the distance of charge movement when the charge flowing out of the electret film moves toward the conductive electrode along the insulating surface of the substrate, thereby Runoff can be reduced. In a non-planar structure, an electric field in which a conductive electrode draws a charge with respect to an electric charge is a portion connecting a portion lower than the surface of the substrate and the surface of the substrate (the portion is also referred to as a “side wall”). A different direction, for example, a path perpendicular to the electric field, is provided, so that the influence of the electric field serving as a driving force for charge transfer can be reduced, and the outflow of charges to the conductive electrode can be reduced.
第2の態様は、 前記基板は、絶縁層と導電層とを有し、前記絶縁層の一つの表面上に前記エレクトレット膜が形成されている、第1の態様のエレクトレット素子である。 A second aspect is the electret element according to the first aspect, wherein the substrate has an insulating layer and a conductive layer, and the electret film is formed on one surface of the insulating layer.
第3の態様は、前記非平坦構造は、前記絶縁層に形成されている、第2の態様のエレクトレット素子である。 A third aspect is the electret element according to the second aspect, wherein the non-flat structure is formed in the insulating layer.
第4の態様は、前記基板は、前記導電層に、前記非平坦構造を構成するための少なくとも1つの非平坦構造が形成され、前記導電層に形成された前記非平坦構造が位置する表面が前記絶縁層で覆われたものである、第2の態様のエレクトレット素子である。 According to a fourth aspect, in the substrate, at least one non-flat structure for forming the non-flat structure is formed in the conductive layer, and a surface on which the non-flat structure formed in the conductive layer is located is formed. It is the electret element of the 2nd aspect covered with the said insulating layer.
第5の態様は、防湿層をさらに有し、前記防湿層が少なくとも前記エレクトレット膜の表面を被覆している、第1〜4の態様のいずれか1つのエレクトレット素子である。 A fifth aspect is the electret element according to any one of the first to fourth aspects, further including a moisture-proof layer, wherein the moisture-proof layer covers at least a surface of the electret film.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。以下の説明においては、実質的に同一の構成についての重複説明を省略することがある。複数の図面に現れる同一の符号は、同一の要素または部材を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, repeated description of substantially the same configuration may be omitted. The same reference numerals appearing in several drawings indicate the same element or member.
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態のエレクトレット素子100の断面図である。図2はエレクトレット素子100の平面図であり、図1は、図2のA−Bに沿って切断した断面を示す。エレクトレット素子100は、絶縁性基板108と、絶縁性基板101の表面に形成されたエレクトレット膜103と、絶縁性基板108の表面に形成された導電性電極104と、絶縁性基板108の表面上でエレクトレット膜103および導電性電極104がともに形成されていない領域に位置する凹構造105とから構成される。
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an
絶縁性基板(以下、単に「基板」ともいう)108は、絶縁性の材料からなる基板であるから、エレクトレット膜103が形成された表面(図において上側の表面)は絶縁性を有する。この形態において、非平坦構造は、基板108の表面よりも低い部分を有する凹構造105であり、基板108の表面において、エレクトレット膜103と導電性電極104との間に位置する。
Since the insulating substrate (hereinafter also simply referred to as “substrate”) 108 is a substrate made of an insulating material, the surface on which the
凹構造105は、底面105a、側壁105bおよび頂面105c(頂面105cは基板108の表面でもある)を有する。図示した形態において、凹部の底面105aおよび頂面105cは基板108の表面と平行な面である。底面105aおよび頂面105cはその一部が例えば湾曲していてもよい。また、側壁105bは、絶縁性基板108の表面に対して垂直でもよいし、傾斜を有していてもよい。あるいは、側壁106bは、湾曲していてよく、例えば、図1に示す断面においてf(x)=x2で表されるような二次曲線であってよい。あるいは、凹構造105は、底において平坦な部分を有しておらず、底面と側壁の明確な区別が無い構造であってよい。具体的には、凹構造105の断面は、例えばV字形状を有してよい。
The
図2に示すように、エレクトレット膜103および導電性電極104はともに、z方向からみて長方形状であり、x方向において互いに平行となるように交互に配置されている。エレクトレット膜103は、例えば、幅(x方向の寸法)250μm、長さ(y方向の寸法)1cm、厚み(z方向の寸法)1000nmであり、導電性電極104は、例えば、例えば、幅(x方向の寸法)200μm、長さ(y方向の寸法)1cm、厚み(z方向の寸法)300nmである。エレクトレット膜103と導電性電極104との間の間隔(両者が形成されていない領域のx方向の寸法)は、例えば、25μmである。
As shown in FIG. 2, the
凹構造105もまた、z方向から見て、長方形状(または線状)であり、並列して形成される。図示した形態において、凹構造105は、例えば、幅(x方向の寸法)5μmであり、長さ(y方向の寸法)がエレクトレット膜103および導電性電極104のそれらと同じであり、深さ(z方向の寸法)100nmである。凹構造105は、x方向においてエレクトレット膜103と導電性電極104との間に必ず位置する。このように形成された凹構造105は、エレクトレット膜103から導電性電極104へ到る電荷の経路を長くし、かつ当該電荷を、導電性電極104が電荷に及ぼす電界とは異なる向きで進行させる。その結果、電荷の流出が低減される。
The
エレクトレット膜103への電荷の注入は、コロナ放電などにより行う。エレクトレット膜103は誘電体から成る。エレクトレット膜103は、単層構造であっても、複数の誘電体から成る積層構造であってもよい。あるいは、エレクトレット膜103は、2種の誘電体からなり、例えば一方の誘電体を他方の誘電体が被覆しているような構造であってもよい。エレクトレット膜103が複数の誘電体から成る場合、電荷は、すべての誘電体に注入されてよく、あるいは一つまたは特定の複数の誘電体にのみ注入されてもよい(即ち、電荷が注入されていない誘電体があってよい)。エレクトレット膜103は無機材料および有機材料のいずれで構成してもよいし、両方を組み合わせて構成してもよい。エレクトレット膜へ注入される電荷の極性は正負どちらでもよい。
Charge injection into the
図3に本発明のエレクトレット素子100を備えた、振動発電器600の断面図を示す。振動発電器600は、複数のエレクトレット膜103a〜cおよび導電性電極104a〜bと、所定の間隔を隔てて対向して設置された、集電電極607a〜cが形成された基板603から構成される。絶縁性基板108の両端は弾性構造体609を介して固定構造体610と接続される。弾性構造体609はバネでもよいし、反発により絶縁性基板108を押し戻す材料(例えばゴム)から構成されていてもよい。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a
外部からの振動608が加わると、弾性構造体609が伸縮し、それにより絶縁性基板108は基板603に対して相対的に変位を行う。このとき、エレクトレット膜103a〜cと基板603上の集電電極607a〜cとの重なり面積の増減が起こり、集電電極607a〜cに誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減を電気エネルギーとして取り出すことによって発電を行う。振動発電器600は、例えば、小電力の無線通信モジュール、およびその他の電子機器において用いてよい。
When an
本発明の実施の形態にかかるエレクトレット素子100によれば、エレクトレットの電荷保持安定性を向上させる効果を得ることができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
According to the
エレクトレット素子100内部に注入され保持された電荷は、保持された電荷同士の静電反発力により電荷密度の高いエレクトレット膜103の内部から、電荷密度の低い外部へ、時間の経過とともに拡散して流出する。さらに、エレクトレット膜103内部に保持された電荷は、より電位の低い導電性電極104へ静電引力により引き寄せられる。このとき、エレクトレット膜103より流出した電荷は、絶縁性の低い領域を通過しやすいため、絶縁性基板108の内部ではなく表面に沿って移動し、導電性電極104へ流出しやすい。
The charges injected and held in the
図1および図2に示すエレクトレット素子100において、エレクトレット膜103が保持する電荷がエレクトレット膜103から流出して、導電性電極104に向かう経路を図14に示す。図14においては、白い丸で電荷を示している。エレクトレット膜103を出た電荷は、図において矢印で示す方向で、基板108の表面に沿って移動する。
In the
図14に示すように、絶縁性基板108の表面上に凹構造105を設けることにより、絶縁性基板108の表面積が増大する。より具体的には、電荷の移動経路は、凹構造105が存在しない場合の移動経路と比較して、2つの側壁105bに相当する距離だけ長い。電荷の移動経路の増大により、導電性電極104に向かって流出する電荷が移動するのに必要な時間を増大でき、電荷の流出の速度を低減することができる。
As shown in FIG. 14, the surface area of the insulating
また、凹構造105の側壁105bに沿って電荷が移動する向き(図14中のz方向)と、電荷が導電性電極104へ引き寄せられる電界の向き(図14中のx方向)とが垂直となるため、電荷移動の駆動力となる電界の影響を小さくすることができる。それにより、電荷の流出速度を低減でき、エレクトレット素子100の電荷保持を安定化することができる。これは、導電性電極104がアース電位や浮遊電位と接続されている場合にもあてはまる。これはまた、導電性電極104を、エレクトレット膜103が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット膜103の表面電位の絶対値よりも小さい電位と接続した場合、または導電性電極104をエレクトレット膜103が保持する電荷と異なる極性の電位に接続した場合でもあてはまる。
In addition, the direction in which the charge moves along the
本実施の形態では、絶縁性基板108はガラス基板などの絶縁材料のみから構成される基板である。第1の変形例においては、図4に示すように、エレクトレット膜および導電性電極を形成する基板は、導電層としての導電性基板111と、絶縁層112とを有する基板である。絶縁層112は、導電性基板111の2つの主表面のうち、エレクトレット膜103が形成される側の表面に形成されている。このように、エレクトレット膜が形成される基板は、エレクトレット膜が形成される表面が絶縁性である限りにおいて、導電性である部分を有してよい。基板が導電性基板と絶縁層とを含む場合、エレクトレット素子が形成される側の表面において、導電性の部分が露出しないように絶縁層および非平坦構造が形成される。図4に示す変形例においては、絶縁層112に凹構造105が形成され、その深さ(側壁のz方向の寸法)は絶縁層112の厚さよりも小さいから、導電性の部分が表面に露出することはない。
In the present embodiment, the insulating
この変形例において、導電性基板111はアース電位に接続してもよい。この場合、エレクトレット膜103から流出して導電性電極104に向かって移動している電荷は、凹構造105の底面で安定化されるため、この変形例によれば電荷保持安定性をより向上させることができる。具体的には、凹構造105の底面に移動する電荷は、アース電位に接続されている導電性基板111へ静電引力により引き付けられる。ゆえに、電荷が凹構造115の側壁105bに沿って、導電性基板111から離れる方向(図4中のz方向上向き)で移動しようとしても、導電性基板111へ引き寄せる静電引力が電荷に作用するため、電荷は凹構造105の底面から移動しにくい。それにより、電荷の導電性電極104への移動を防ぐことができ、電荷は安定に凹構造105の底面に保持される。
In this variation, the
これは、導電性基板111をエレクトレット膜103が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット膜103の表面電位の絶対値よりも小さい電位に接続した場合、または導電性基板111をエレクトレット膜103が保持する電荷と異なる極性の電位に接続した場合でもあてはまる。
This is when the
あるいは、導電性基板111は、エレクトレット膜103が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット膜103の表面電位の絶対値よりも大きい電位に接続してもよい。この場合、エレクトレット膜103から流出した電荷は、凹構造105の側壁105bに沿って、導電性基板111へ近づく方向(図4中のz方向下向き)で移動しようとしても、導電性基板111から反発する静電斥力が電荷に作用するため、電荷は凹構造105の底面に向かって移動することができない。そのような静電斥力も、電荷の流出防止に寄与する。
Alternatively, the
第1の変形例において、導電性基板111は、例えば、不純物をドープした単結晶シリコン基板であり、絶縁層112は、導電性基板111を熱酸化法により酸化させることにより形成した、厚さ1μmのシリコン酸化膜である。エレクトレット膜103は、例えば、LPCVD(Low pressure chemical vapor deposition)法により形成された、厚さ1000nmのシリコン酸化膜の表面に、LPCVD法により厚さ300nmのシリコン窒化膜を形成した積層膜である。導電性電極104は、例えば、LPCVD法により形成された、不純物をドープした厚さ300nmの多結晶シリコン膜である。絶縁層112に形成された凹構造115は、ドライエッチングにより形成してよい。
In the first modification, the
図1および図4に示すエレクトレット素子において、凹構造105、115の底面の幅(x方向の寸法)は、エレクトレット膜103と導電性電極104とのx方向の間隔よりも小さい。第2の変形例においては、図5に示すように、エレクトレット素子120の凹構造125の底面の幅と、エレクトレット膜103と導電性電極104との間隔が同じであり、当該間隔全体が凹部の底面と一致している。そのため、素子120においては、z方向から見て凹構造125の有無が直ちに認識されないこともあるが、断面を見れば凹構造125が存在することはただちに理解される。そのような凹構造125は、エレクトレット膜103と導電性電極125をそれぞれパターニングするときのオーバーエッチを利用して形成できる。よって、エレクトレット素子120は、プロセス工数を低減して製造することが可能である。
In the electret element shown in FIG. 1 and FIG. 4, the width (the dimension in the x direction) of the bottom surfaces of the
第3の変形例のエレクトレット素子130を図6に示す。エレクトレット素子130は複数の凹構造135を有する。凹構造135の深さが図1に示す凹構造105の深さと同じであると仮定すれば、凹構造の数が多いほど、エレクトレット膜103から流出して導電性電極104に向かう電荷が基板(図6においては絶縁層112)の表面で移動する距離はより長くなる。それにより、電荷が導電性電極104へ到達するまでの時間をより長くすることができ、電荷保持安定性がより向上する。
An
第4の変形例のエレクトレット素子140を図7に示す。エレクトレット素子140は、非平坦構造として凸構造145を有している。凸構造145は、頂面145aおよび側壁145bを有する。図示した形態において、頂面145aは基板の表面(絶縁層112)の表面と平行な面である。頂面145aはその一部が例えば湾曲していてもよい。また、側壁145bは、湾曲していてよい。あるいは、凸構造145は、最も高い部分において平坦な部分を有しておらず、頂面と側壁の明確な区別がない構造であってよい。具体的には、凸構造145断面は、その輪郭がアーチ形状を有してよい。
An
図示した変形例において、凸構造145の側壁145bのz方向の寸法(高さ)は、導電性電極104のそれと同じである。凸構造145においても、その側壁145bに沿って電荷が移動する向き(図7中のz方向)は、導電性電極104へ引き寄せられる電界の向き(図7中のx方向)に対して完全に垂直となる。そのため、凸構造145もまた、電荷の移動距離を増大させるとともに、電荷移動の駆動力となる電界の影響を小さくして、電荷の保持安定性を向上させることができる。
In the illustrated modification, the dimension (height) in the z direction of the
第5の変形例のエレクトレット素子150を図8に示す。この変形例は、非平坦構造として凹構造と凸構造を組み合わせた構造(凹凸構造)155を有している。この凹凸構造155においては、凹構造の側壁と凸構造の側壁が連続している。凹凸構造155は、絶縁層112の表面における電荷の移動距離を効率よく増大することができ、電荷保持安定性をより向上させることができる。凹凸構造において、凹部の側壁(凸部の側壁)、凹部の底面、および凸部の頂面の形状は図示したものに限定されず、図1および図7を参照して説明したとおり、他の形状であってよい。
An
第6の変形例のエレクトレット素子160を図9に示す。この変形例においては、導電性基板161上に凹構造を形成した後で、絶縁層162が形成されて、基板の表面が絶縁性にされている。電荷の流出を抑制する非平坦構造として形成されている凹構造165の形状寸法は、導電性基板161に形成された凹構造とほぼ同じであるが、絶縁層162がその表面に形成されているために、底面の寸法および深さは導電性基板161に形成された凹構造のそれらよりも小さい。
An
第6の変形例においては、第1の変形例とは異なり、絶縁層162の膜厚に制限されることなく、その深さがより大きい凹構造を形成することができる。凹構造165の深さをより大きくすることにより、電荷の移動距離をより長くして、電荷がエレクトレット膜103から導電性電極104に至るまでの時間をより長くして、より電荷保持安定性を向上することができる。例えば、絶縁層162が熱酸化法で形成されたシリコン酸化膜などである場合、その最大膜厚は2μm程度である。よって、この膜に凹構造を形成する場合、凹構造の頂面から底面までの距離(深さ)は2μm未満とする必要がある。しかし、導電性基板161(例えばシリコン基板)に凹構造を形成してから、絶縁層162を形成する方法で凹構造165を形成する場合、その深さがシリコン基板の厚み(例えば数百μm)にほぼ相当する凹構造165を形成することが可能である。
In the sixth modified example, unlike the first modified example, a concave structure having a larger depth can be formed without being limited by the film thickness of the insulating
上記においては、熱酸化法によるシリコン酸化膜を絶縁層の例として挙げた。LPCVD法またはスピンコート法により絶縁層を形成した場合でも、得られる絶縁層の厚みは制限され、導電性基板161の厚みより大きくすることは一般に困難である。よって、第6の変形例は、いずれの方法で絶縁層を形成する場合にも、より深い凹構造を得る構成として有用である。
In the above, the silicon oxide film by the thermal oxidation method is given as an example of the insulating layer. Even when the insulating layer is formed by the LPCVD method or the spin coating method, the thickness of the obtained insulating layer is limited, and it is generally difficult to make it larger than the thickness of the
第7の変形例のエレクトレット素子170を図10に示す。この変形例は、エレクトレット膜173の内部に導電性の埋込電極176が形成されている点を除いては、第4の変形例と同じである。図示した素子170において、埋め込み電極176は絶縁層112の表面に形成されている。この変形例においては、コロナ放電によるエレクトレット膜173への電荷注入時に埋込電極176をアース電位と接続することで、より効率的にエレクトレット膜173へ電荷を引き込んで注入することができる。エレクトレット膜173へ電荷を注入した後、埋込電極176は浮遊電位にあってもよいし、アース電位と接続してもよい。
An
埋込電極176は導電性電極104と同様に、エレクトレット膜173内に保持された電荷を静電引力により引き寄せるが、埋込電極176はエレクトレット膜173により覆われているため、電荷は流出しにくく、導電性電極104へより流出しやすい。したがって、本変形例においても凹構造105により電荷の流出を低減することができる。
The embedded
第8の変形例のエレクトレット素子190を図11に示す。この変形例においては、防湿層197が形成され、防湿層197は絶縁層112、エレクトレット膜103、導電性電極104、凹構造105の表面を覆っている。防湿層197は、空気中の湿度により、エレクトレット膜103中の電荷、ならびにエレクトレット膜103から流出して絶縁層112および凹構造105の表面に存在する電荷が大気中に拡散することを防止して、電荷保持安定性をより向上させうる。防湿僧197と、凹構造195による電荷流出の防止効果とを組み合わせることで、よりエレクトレット膜197からの電荷流出を防止することができる。防湿層197は、エレクトレット膜103の表面のみを覆ってもよい。図示したように、防湿層197が凹構造105および絶縁層112の表面を覆うことにより、電荷流出はより抑制される。
An
防湿層197は、疎水基により水の吸着を防止するHMDS(ヘキサメチルジシラン)、BCB(ベンゾシクロブテン)、または高ガスバリア性の無機材料(例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはアルミニウム酸化膜)であってよい。
The moisture-
上記においては、z方向で見て長方形であるエレクトレット膜および導電性電極が、x方向において互いに平行に配置されたエレクトレット素子を説明した。本実施の形態は、エレクトレット膜および導電性電極の形状および配置によらず適用することができる。例えば、図15に示すように、円盤形状の基板に、楔形状のエレクトレット膜203および導電性電極204が交互に配置されたエレクトレット素子200においては、エレクトレット膜203と導電性電極204との間に直径方向に延びる非平坦構造(図においては凹構造205)が位置するようにしてよい。
In the above, the electret element in which the electret film and the conductive electrode that are rectangular when viewed in the z direction are arranged in parallel to each other in the x direction has been described. The present embodiment can be applied regardless of the shape and arrangement of the electret film and the conductive electrode. For example, as shown in FIG. 15, in the
あるいは、図16に示すように、エレクトレット膜213と導電性電極214を市松模様状(またはチェッカー状)に基板208上に配置するエレクトレット素子210において、非平坦構造(図においては凹構造215)を、導電性電極214の周囲を囲む額縁状に形成してよい。図16に示すエレクトレット素子210のさらなる変形例において、非平坦構造は、エレクトレット膜214の周囲を囲む額縁状に形成してよい。
Alternatively, as shown in FIG. 16, in the
いずれの図示したエレクトレット素子においても、非平坦構造は一方向に比較的大きい寸法を有する(例えば、図1に示す素子においては、y方向の寸法が大きい)連続的なものであるが、非平坦構造は、点状または島状のものであってよい。例えば、図2において、凹構造105は、y方向において連続しておらず、点線状であってよい。あるいは、非平坦構造は、基板表面を見たときに、エレクトレット膜または導電性電極を囲むように形成してよい。
In any illustrated electret element, the non-flat structure is continuous with a relatively large dimension in one direction (eg, the element shown in FIG. 1 has a large y-direction dimension), but is non-flat. The structure may be point-like or island-like. For example, in FIG. 2, the
図示した形態はいずれも、本実施の形態の例であり、凹構造の数、形状、サイズおよび深さ、誘電体層の厚さ、誘電体層に保持される電荷の量、ならびに導電性電極の形状および数は、特定のものに限定されない。これらを任意に選択しても、本実施の形態の効果を得ることができる。
また、上述の実施の形態は、本発明を例示するためのものであり、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
Each of the illustrated forms is an example of the present embodiment, and the number, shape, size and depth of the concave structure, the thickness of the dielectric layer, the amount of charge held in the dielectric layer, and the conductive electrode The shape and number are not limited to specific ones. Even if these are arbitrarily selected, the effects of the present embodiment can be obtained.
The above-described embodiments are for illustrating the present invention, and various changes, substitutions, additions, omissions, and the like can be made within the scope of the claims and the equivalents thereof.
本発明のエレクトレット素子は、向上した電荷保持安定性を有し、振動発電器のエレクトレット電極として有用である。 The electret device of the present invention has improved charge retention stability and is useful as an electret electrode of a vibration power generator.
100 エレクトレット素子
103 エレクトレット膜
104 導電性電極
105 凹構造(非平坦構造)
108 絶縁性基板
111 導電性基板
112 絶縁層
145 凸構造(非平坦構造)
155 凹凸構造(非平坦構造)
176 埋込電極
197 防湿層
100
108 Insulating
155 Uneven structure (non-flat structure)
176 Embedded
Claims (5)
前記基板の少なくとも一つの表面上に形成されたエレクトレット膜と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面上で、前記エレクトレット膜が形成されていない領域に形成された導電性電極と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面に形成された、凹構造、凸構造またはその組み合わせから選択される少なくとも1つの非平坦構造と
を有し、
前記基板の前記エレクトレット膜が形成されている表面は絶縁性であり、
前記非平坦構造は、前記エレクトレットおよび前記導電性電極がともに形成されていない領域に位置する、
エレクトレット素子。 A substrate,
An electret film formed on at least one surface of the substrate;
A conductive electrode formed in a region where the electret film is not formed on the at least one surface of the substrate;
And at least one non-flat structure selected from a concave structure, a convex structure, or a combination thereof, formed on the at least one surface of the substrate,
The surface of the substrate on which the electret film is formed is insulative,
The non-flat structure is located in a region where neither the electret nor the conductive electrode is formed.
Electret element.
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|---|---|---|---|---|
| WO2018062195A1 (en) * | 2016-09-29 | 2018-04-05 | シチズン時計株式会社 | Electromechanical converter |
| US11563386B2 (en) | 2018-03-19 | 2023-01-24 | Citizen Watch Co., Ltd. | Electromechanical transducer and method for manufacturing same |
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