成果報告書詳細
管理番号20120000000781
タイトル*平成23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2012/7/5
報告書年度2011 - 2011
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)圧電薄膜を用いたマイクロ振動発電デバイスの研究開発
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、環境に適合した非鉛圧電材料AlN薄膜の最適化を図った。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)スパッタリングにより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軸配向性および内部応力の低減などの最適条件を見出し、マイクロ振動発電デバイスに適用した。
図1にSi基板上に非鉛AlN圧電薄膜を形成したマイクロ発電デバイス構成とその発電特性を示す。図1の構造は共振周波数が1kHz程度と高く応用としては限りがあることを明らかにした。そこでステンレス基板上にAlN薄膜とそれを挟む上下の電極を形成する構造を提案した。高剛性なステンレス基板を片持ち梁状にして振動による変位を大きくし発電効率を高くことが可能である。図2 (a)はAlN薄膜形成したステンレス(SUS304)基板顕微鏡写真を示す。(b)は、SUS基板上のAlN薄膜のX線回折およびロッキングカーブを示す。A,B,C,は膜厚が異なっており、順に0.73 μm, 1.89μm, 2.24mである。AlN薄膜のc軸配向性の良さを示すHWFM(Half Width at Full Maximum)は膜厚が大きいほど、良好であることを明らかにした。
英文要約Title: Research and Development of Nanodevices for Practical Utilization of Nanotechnology. Research and Development of Vibration-Based Micro Energy Harvester Using Lead-Free Piezoelectric AlN Thin Film (FY2010-FY2012) FY2011 Annual Report
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 around us 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 crystalline 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 both substrates of stainless steel and Si. Subsequently, using micromachining process, we fabricated AlN thin film vibration-based energy harvester in the form of the cantilever beam structure with 2.0 mm length and 5.4 mm width. 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 0.2-3.0 g. We have shown that our energy harvester successfully generated the output energy of about 50 μW at 1.0 g, which is a targeted value of this study.
Along with development of vibration-based energy harvester, this study intends to integrate it with low-threshold diodes and micro electric double layer capacitors for higher DC output power and long life. For this purpose, we have examined surface treatment of Si, and demonstrated a new wet process which can efficiently fabricate nano-porus Si surface to expand surface area of Si. Also, we have fabricated an InP/In2O3 hetero-junction diode by growing an In2O3 layer on an N-type InP semiconductor substrate. It is shown that the threshold voltage of the InP/In2O3 hetero-junction diode (~ 0.1 V) decreased to about 15% of that of the Si-based diode (~ 0.7 V).
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