成果報告書詳細
管理番号20140000000276
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 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2015/2/19
報告書年度2010 - 2013
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
和文要約私たちの身の周りに存在する振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができるマイクロ振動発電デバイスを非鉛であり環境にやさしい圧電材料である窒化アルミニウム(AlN)薄膜を用いて開発した。AlN圧電薄膜をSi基板上およびステンレス鋼基板(SUS304)上に形成し、できるだけ高い発電出力を得るために、バッファ層のナノスケール結晶性及び表面粗さを最適化し、高いc軸配向性を示すAlN薄膜を作製した。また、実験データを解析することによりステンレス鋼基板やSi基板上にAlN薄膜の内部応力を最小にするように作製条件を最適化することに成功した。
上記の検討を基にして、上部の薄膜電極/AlN薄膜作製最適条件を用いて、3層構造(上部薄膜電極/AlN薄膜(1〜2μm厚)/下部薄膜電極)の振動発電構造をステンレス鋼とSiの両方の基板上に堆積させた。続いて、マイクロマシニングプロセスを使用して、長さが9.0mm、幅が8mmの片持ち梁構造体マイクロ振動発電デバイスを試作した。片持ち梁の先端の錘は、その変位を増大することにより振動発電デバイスの発電効率を向上させるために設置した。
真空パッケージング技術を適用して実用を考慮したマイクロ振動発電デバイスを試作した。0.1〜10gの加速度を印加することにより発電出力を検討した。共振周波数約65Hz、加速度1gで約73μWの発電出力があることを明らかにし、本研究の目標値を達成した。
マイクロ振動発電デバイスにおいて、より大きい直流出力を得るために低閾値ダイオードとマイクロ電気二重層キャパシタを集積するための各要素技術の検討を行った。低閾値ダイオード実現のためにN型InP半導体基板上にIn2O3層を成長させることによってInP/In2O3ヘテロ接合ダイオードを作製した。InP/In2O3ヘテロ接合ダイオードの閾値電圧は 0.1V以下となり閾値0.7Vに比し、約15%まで減少することを示した。しかし、実用化にはリーク電流が問題となることが示唆される。
Si基板上における電気二重層マイクロキャパシタ実現のために、Siの表面処理を検討し、効率的にシリコンの表面積を拡大するナノポーラスSi表面を作製することができるウエットプロセスを実証した。これは、Pt電極を有するナノ多孔質Si表面スーパーキャパシタの電荷容量は平坦なSi表面スーパーキャパシタのそれより110倍高いことを実証した。
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 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 onto stainless steel substrate and Si substrate by carefully analyzing our experimental data.
Using the above 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 (SUS304) and Si. Subsequently, using micromachining process, we fabricated AlN thin film vibration-based energy harvester in the form of the cantilever beam structure with 9.0 mm in length and 8 mm in 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 vacuum-packaged energy harvester as a function of vibration frequency was investigated by applying acceleration of 0.1-10 g. The energy harvester successfully generated the output energy of about 73μW at 1g, which is a targeted value of this study.
Along with development of vibration-based energy harvester, we intended 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), although its leakage current was a problem. It is found that a charge capacity of nano-porous Si surface supercapacitor with Pt electrode is 110 times higher than that of flat Si surface supercapacitor.
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