成果報告書詳細
管理番号20110000001163
タイトル*平成22年度中間年報 ナノテク・先端部材実用化研究開発/非鉛圧電材料によるマイクロ振動発電デバイスの研究開発 
公開日2011/9/9
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人東北大学 株式会社メムス・コア
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1.
研究開発の内容及び成果等
(1) 高
効率窒化アルミニウム(AlN)圧電薄膜の研究開発
身近な周辺の振動を電気エネルギーに変換するマイクロ振動発電デバイスにおいて、マイクロ圧電構造体の振動を用いて発電を行うことを目的に、環境に適合した非鉛圧電材料AlN薄膜の最適化を検討した。AlN圧電薄膜の機械電気変換効率の向上技術として、固体ソース型ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタリングを採用し、下地薄膜のナノメータレベルの結晶性制御、表面あらさ制御により高c軸配向性の実現、圧電薄膜と電極薄膜とのインタフェース最適化、内部応力の低減などに、実験的にデータを把握し、それぞれ適正条件を見出すことができた。
図1に試作した非鉛材料であるAlN圧電薄膜を用いたマイクロ振動発電デバイス構成を示す。Si基板上にマイクロマシニングによりAlN薄膜とそれを挟む上下の電極を形成した後、先端に重りがついた片持ち梁状にして振動による変位を大きくすることにより発電効率を高くする構造である。図2に試作したデバイスの走査型電子顕微鏡写真像を示す。上下の電極に挟まれたAlN薄膜は、1~2 μm程度であり、幅750μm長さ3mmの片持ち梁が形成されている。本試作により、適正AlN薄膜形成条件がX線ロッキングカーブ測定、薄膜応力測定などで確立することができた。
英文要約We have investigated a lead-free AlN thin film as an environmental friendly piezoelectric material for the vibration-based micro energy harvester which can convert vibration energy to electrical energy. To obtain as much energy as possible by vibrating a piezoelectric AlN thin film, we have fabricated an AlN thin film with high c-axis orientation by optimizing nano-scale crystallinity and roughness of the buffer layer. We also succeeded to optimize fabrication conditions to obtain the best interface between the AlN thin film and electrodes with minimum internal stress by carefully analyzing our experimental data. Using these conditions, tri-layer structure of upper thin film electrode / AlN thin film (1 ~ 2 μm thick) / bottom thin film electrode were deposited on Si substrate. Subsequently, using micromachining process, we fabricated AlN thin film vibration-based energy harvester in the form of the cantilever beam structure with 750 μm width and 3 mm length. The weight on the tip of the cantilever beam enhances the deflection of it and thus enhances the power generation efficiency of the energy harvester. The output power of the energy harvester as a function of vibration frequency was investigated by applying acceleration of 3 g. The energy harvester successfully generated the output energy of about 4μW, which is a targeted value of this study. To further improve output power generation efficiency, we are now developing metallic glass substrate which possibly deflects more than Si substrate. Along with development of vibration-based energy harvester, this study intends to integrate it with low-threshold diodes and micro supercapacitors. For this purpose, we have examined surface treatment of Si for future supercapacitors, and developed new equipment which can efficiently fabricate multiple diodes at one time experiment.
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