MEMS振动元件、MEMS振动元件的制造方法及振动发电元件与流程

本发明涉及mems振动元件、mems振动元件的制造方法及振动发电元件。

背景技术：

作为从环境振动获取能量的能量收集技术之一，公知使用mems(microelectromechanicalsystems)振动元件亦即振动发电元件来根据环境振动进行发电的方法(例如参照专利文献1)。环境振动包括各种频带，但为了有效地进行振动发电，需要使振动发电元件的共振频率与作为环境振动的功率谱较大的频率的主要频率一致。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-172523号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

主要频率根据作为振动检测对象的环境而分别不同。但是，在现有的振动发电元件中，构成该振动发电元件的mems振动元件的弹性支撑部由与包括可动电极的可动部相同的材料形成。因而，弹性支撑部的设计自由度较低，无法容易地对应于各种主要频率，从而相应地有耗费成本、劳力和时间的问题。

用于解决课题的方案

本发明的第一方案的mems振动元件具备：基体部；固定部，其固定于上述基体部；可动部，其相对于上述固定部可动；以及弹性支撑部，其将上述可动部弹性支撑于上述基体部，上述弹性支撑部由与上述固定部及上述可动部不同的材料形成。

在第一方案的mems振动元件的基础上，本发明的第二方案的mems振动元件优选为，上述弹性支撑部由与构成上述固定部及上述可动部的材料相比断裂韧性值较高的材料形成。

在第一或第二方案的mems振动元件的基础上，本发明的第三方案的mems振动元件优选为，上述弹性支撑部由金属形成。

在第一至第三方案中任一方案的mems振动元件的基础上，本发明的第四方案的mems振动元件优选为，上述弹性支撑部由断裂韧性值为10[mpa·m^1/2]以上的材料形成。

在第一至第四方案中任一方案的mems振动元件的基础上，本发明的第五方案的mems振动元件优选为，上述固定部及上述可动部由硅形成。

在第一至第五方案中任一方案的mems振动元件的基础上，本发明的第六方案的mems振动元件优选为，上述固定部和上述可动部构成梳齿构造。

在第一至第六方案中任一方案的mems振动元件的基础上，本发明的第七方案的mems振动元件优选为，上述弹性支撑部由平板构成，且在与连接上述可动部和上述基体部的预定方向正交的方向上的宽度在至少一部分根据上述预定方向的位置而不同。

本发明的第八方案的mems振动元件的制造方法包括以下各工序：形成基体部的工序；形成固定部的工序；形成可动部的工序；由与上述固定部及上述可动部不同的材料形成弹性支撑部的工序；将上述弹性支撑部的一端连接于上述基体部的工序；以及将上述弹性支撑部的另一端连接于上述可动部的工序。

在第八方案的mems振动元件的制造方法的基础上，本发明的第九方案的mems振动元件的制造方法优选为，由与上述固定部及上述可动部的材料相比断裂韧性值较大的材料形成上述弹性支撑部。

在第八或第九方案的mems振动元件的制造方法的基础上，本发明的第十方案的mems振动元件的制造方法优选为，利用光刻法来进行上述固定部的形成及上述可动部的形成。

在第十方案的mems振动元件的制造方法的基础上，本发明的第十一方案的mems振动元件的制造方法优选为，在上述光刻法中，从同一基体材料形成上述固定部、上述可动部以及结合上述固定部和上述可动部的结合部，并且，在将上述弹性支撑部的一端连接于上述基体部、而且将上述弹性支撑部的另一端连接于上述可动部之后，除去上述结合部而使上述固定部与上述可动部分离。

本发明的第十二方案的振动发电元件具备第一至第七方案中任一方案的mems振动元件，并且，上述固定部具备固定电极，上述可动部具备可动电极，上述固定电极或上述可动电极的至少一方在表面具有驻极体。

发明的效果

根据本发明，能够容易地制造与各种环境振动对应的mems振动元件。

附图说明

图1是示出振动发电元件的简要结构的示意图，图1的(a)是俯视图，图1的(b)及图1的(c)是侧剖视图。

图2是示出mems振动元件的制造工序的一例的侧剖视图，图2的(a)示出将固定部连接于基体部的工序，图2的(b)示出将弹性支撑部连接于可动部的工序，图2的(c)示出将弹性支撑部连接于基体部的工序。

图3是示出固定部及可动部的形成过程的一例的图，图3的(a)是俯视图，图3的(b)、图3的(c)及图3的(d)是侧剖视图。

图4是示出固定部及可动部的形成过程的变形例的图。

图5是示出弹性支撑部的变形例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是示出本发明的一个实施方式的mems振动元件的一例、并示出应用于振动发电元件100的情况的简要结构的图。

图1的(a)是振动发电元件100的俯视图，图1的(b)是图1的(a)中的bb线剖视图，图1的(c)是图1的(a)中的cc线剖视图。

振动发电元件100具备：固定梳齿电极2，其设于作为矩形框的基体部1的一端侧；以及可动梳齿电极3，其由弹性支撑部4弹性支撑于基体部1的另一端，并设为与固定梳齿电极2啮合。因来自外部的振动而可动梳齿电极3相对于固定梳齿电极2位移，由此在电极间产生电荷，振动发电元件100是利用上述的在电极间产生的电荷作为电力的发电元件。

如在下文中说明那样，利用各种制造方法来制造振动发电元件100，但至少固定梳齿电极2和可动梳齿电极部3是作为例如以硅为基体材料的mems构造体来制造的。因此，能够将振动发电元件100称作mems振动元件。

实施方式的振动发电元件100是利用因可动梳齿电极3相对于固定梳齿电极2的相对位移而产生的电荷作为电力的一例。但是，实施方式的振动发电元件100是因可动电极相对于固定电极的相对位移而产生电荷的构造的振动发电元件即可，也能够采用利用彼此面对置的平行平板型电极的振动发电元件作为实施方式的变形例。

在下文中对振动发电元件100进行详细说明。

以下，结合附图，对由基体部1、固定梳齿电极2、可动梳齿电极3、弹性支撑部4构成的振动发电元件100亦即mems振动元件进行详细说明。此外，mems振动元件不限定于发电元件，在下文中，将固定梳齿电极2作为固定部并将可动梳齿电极3作为可动部来说明。

作为一例，固定部2及可动部3构成以下梳齿构造，该梳齿构造具有多个梳齿状的突起部，并且配置为一个突起部与另一个突起部相互经由缝隙而啮合。作为一例，固定部2及可动部3能够由蚀刻加工性良好的结晶硅形成。此外，在下文中对其形成方法进行详细说明。

弹性支撑部4是具有挠性的长方形平板，其长边方向与图中的x方向一致，其短边方向与图中的y方向一致。可动部3与弹性支撑部4的x方向的一端连接，并且弹性支撑部4的x方向的另一端与基体部1连接。即，图中的x方向也与连接可动部3和基体部1的方向一致。

固定部2以与基体部1连接的方式固定于基体部1。挠性的弹性支撑部4挠曲变形，由此可动部3能够相对于固定部2大致沿图中的z方向相对移动。

可动部3和弹性支撑部4所形成的振子的共振频率f[hz]相对于弹性支撑部4的弹簧常数k及可动部3的质量m[kg]由下式(1)表示。当将弹性支撑部4的z方向的厚度设为t[m]、将从支点至载荷点为止的距离(即沿弹性支撑部4从基体部1至可动部3为止的x方向的长度)设为l[m]、将宽度尺寸(即弹性支撑部4的y方向的宽度尺寸)设为b[m]、并将杨氏模量设为e[pa]时，弹簧常数k由下式(2)表示。

k＝(eb/4l³)t³…(2)

因此，通过基于式(1)及式(2)来决定弹性支撑部4的宽度b、厚度t以及杨氏模量(刚性)e，能够使共振频率f与所希望的环境的主要频率一致。

在可动部3的质量不足式(1)所需要的质量m的情况下，将质量调整用的重物附加到可动部3上，也能够获得所希望的共振频率。

如上所述，固定部2、可动部3的形状不限定于上述的梳齿构造。例如也可以均是呈立方体形状且其中一个平面彼此对置而相向的平行平板型的结构。

其材质也不限定于硅，也可以是其它半导体、电介质或者金属材料。

但是，硅是结晶材料，有容易沿结晶的预定面方位进行蚀刻加工的优点。

使用图2对本例的mems振动元件的制造方法进行说明。

图2的(a)至图2的(c)是示出图1的(a)所示的mems振动元件的完成品的bb线截面处的各构件的截面的图。

(基体部的形成)

利用铣床的机械加工、冲压加工、烧结或者照相化学腐蚀制造法等，来形成作为长方形形状的框部件的基体部1。基体部1的材质也可以是陶瓷、金属，也可以是结晶材料。

(固定部及可动部的形成)

例如利用光刻法来形成固定部2及可动部3。在下文中对固定部2及可动部3的形成方法进行详细说明。

(固定部相对于基体部的固定)

如图2的(a)中箭头所示，利用粘接、热粘接或者螺纹固定等将固定部2连接于基体部1的内侧面的预定位置。

(弹性支撑部的形成)

利用铣床的机械加工、冲压加工或者照相化学腐蚀制造法等，来形成作为具有预定厚度的平板部件的弹性支撑部4。此处，基于式(1)及式(2)，以使由弹性支撑部4和固定部2构成的振子的共振频率与所希望的环境的主要频率一致的方式决定弹性支撑部4的材质、尤其刚性(杨氏模量)、厚度以及宽度。

(弹性支撑部的形成)

如图2的(b)中箭头所示，利用粘接、热粘接或者螺纹固定等在弹性支撑部4的一端连接可动部3。另外，如图2的(c)所示，利用粘接、热粘接或者螺纹固定等将一端与可动部3连接的弹性支撑部4的另一端连接至基体部1的上表面的预定位置。

如上所述，能够制造本例的mems振动元件。因此，本例的mems振动元件的制造方法包括基体部的形成工序、固定部及可动部的形成工序、弹性支撑部的形成工序、以及将可动部连接至弹性支撑部的连接工序。

以上的制造工序中的工序顺序不限定于上述顺序，当然各部件的形成顺序及连接顺序可以是上述以外的顺序。上述制造工序中的连接可以是利用粘接剂等进行的半永久的固定，也可以是利用螺纹固定等进行的可分离的固定。

根据以上说明的本实施方式的mems振动元件及其制造方法，起到以下的作用效果。

(1)mems振动元件100具备固定于基体部1的固定部2、相对于固定部2可动的可动部3、以及将可动部3弹性支撑于基体部1的弹性支撑部4，并且弹性支撑部4由与固定部2及可动部3不同的材料形成。因此，能够提高弹性支撑部4的设计、选择的自由度，从而有能够简单地实现具有与所希望的环境的主要频率一致的共振频率的mems振动元件100的效果。

(2)mems振动元件的制造方法包括形成基体部1的工序、形成固定部2的工序、形成可动部3的工序、由与固定部2及可动部3不同的材料形成弹性支撑部4的工序、将弹性支撑部4的一端连接于基体部1的工序、以及将弹性支撑部4的另一端连接于可动部3的工序。根据本实施方式的mems振动元件的制造方法，由于由与固定部2及可动部3不同的材料形成弹性支撑部4，所以能够提高弹性支撑部4的设计、选择的自由度，从而有能够简单地制造具有与所希望的环境的主要频率一致的共振频率的mems振动元件的效果。

此外，作为弹性支撑部4的材料，也能够选择与构成固定部2及可动部3的材料相比针对冲击、振动所引起的断裂的耐久性较高的材料。作为针对冲击的耐久性的一个指标，有在kic试验法(astme399-90)中测定出的断裂韧性值，即弹性支撑部4优选由与构成固定部2及可动部3的材料相比断裂韧性值较高的材料形成。

此外，由于金属材料一般与硅等半导体材料相比断裂韧性值较高，所以弹性支撑部4优选由铝合金、钛合金、不锈钢等金属形成。

并且，弹性支撑部4优选由断裂韧性值为10[mpa·m^1/2]以上的材料形成。

通过由断裂韧性值较高的材料形成弹性支撑部4，获得能够实现针对冲击、振动的耐久性更高的mems振动元件的效果。

(固定部及可动部的具体形成方法)

参照图3对固定部2及可动部3的形成方法的一例进行详细说明。

本例中，利用光刻法来从单晶硅片10形成固定部2及可动部3。

图3的(a)是硅片10的俯视图，图3的(b)、图3的(c)、图3的(d)是图3的(a)的dd线剖视图。

(向固定部形成区域和可动部形成区域照射紫外线)

在硅片10的表面涂覆光刻胶11，并仅向图3的(a)、图3的(b)中阴影线所示的区域2a、3a即应形成固定部2及可动部3的硅片10的上表面的区域2a、3a的光刻胶11照射紫外线122、123。

(显影)

若使光刻胶11显影，则如图3的(c)所示，光刻胶仅残留在被照射紫外线122、123后的区域2a、3a内。因此，应形成的固定部2及可动部3的形状作为光刻胶112、113的形状而转印到硅片10上。

(基于蚀刻的固定部和可动部的形成)

将光刻胶112、113作为蚀刻掩模，利用使用氟系气体的干式蚀刻来进行硅片10的蚀刻。而且，通过将在蚀刻结束后残存的光刻胶除去，而如图3的(d)所示地形成固定部2及可动部3。

此外，本例中，使用了在紫外线中曝光的部分固化的负型光刻胶，但也能够使用通过使照射紫外线的区域反转来使在紫外线中曝光的部分熔解的正型光刻胶。

图3中，夸张地描绘了固定部2、可动部3以及应形成固定部2和可动部3的区域2a、3a的大小，但实际大小为硅片10的直径的几分之一至几十分之一。因而，能够从一片硅片10形成多个固定部2及可动部3。

根据以上说明的mems振动元件的制造方法，获得以下的作用效果。

现今，在利用平版印刷技术来形成mems振动元件的情况下，相当于本例的弹性支撑部4的部分也利用平版印刷技术来形成。因此，应形成在硅片上的mems振动元件的总面积变大，从而从一片硅片形成的mems振动元件的个数减少，其结果，制造成本变高。

另一方面，本例中，弹性支撑部4由其它材料形成，从而利用平版印刷技术来从硅形成的部件仅是固定部2及可动部3。因此，能够从一片硅片10形成更多的mems振动元件，从而有实现制造成本的减少的效果。

(mems制造方法的变形例1)

在固定部2及可动部3的形成中也能够应用图4所示的方法。

图4是示出固定部2及可动部3的形成方法的变形例的图。本变形例中，固定部2和可动部3以利用结合部20而结合的状态形成。具体而言，在图3的(a)所示的光刻法中，除应形成固定部2和可动部3的区域2a、3a之外，还向应形成结合部20的区域(图4的符号20所示的区域，但在图3的(a)中未示出)的光刻胶11照射紫外线。之后，通过与图3所示的方法相同地进行显影、蚀刻，来如图4所示地形成一体部200，该一体部200通过利用结合部20结合固定部2和可动部3来形成。

在使用本变形例的一体部200来制造mems振动元件的情况下，变更图3所示的制造工序的一部分。

(一体部相对于基体部的固定)

将一体部200所包括的固定部2连接于基体部1的内侧面的预定位置，之后将弹性支撑部4的一端连接于一体部200所包括的可动部3，并将其另一端连接于基体部1的上表面的预定位置。

(结合部的除去)

在将一体部200固定于基体部1后，除去结合部20。利用向结合部20的部分照射激光所产生的熔融、对结合部20的部分实施局所的湿式蚀刻所产生的熔解、在使结合部20的部分局部氧化后实施湿式蚀刻所产生的熔解等，来进行结合部20的除去。并且，也能够利用机械式切断来除去结合部20。

对于结合部20的除去而言，不需要完全除去结合部20，以使可动部3能够相对于固定部2移动的方式将结合部20的至少一部分除去(切断)即可。

本变形例的mems振动元件的制造方法包括基体部1的形成工序、利用结合部20来结合固定部2及可动部3而成的一体部200的形成工序、弹性支撑部4的形成工序、将一体部200连接于基体部1的连接工序、以及结合部20的除去工序。

本变形例的mems振动元件的制造方法起到以下的作用效果。

本变形例中，从同一基体材料一体地形成固定部2、可动部3以及将固定部2和可动部3结合的结合部20，将该一体形成的部件与基体部1及弹性支撑部4连接，之后除去结合部20。因此，本变形例中，在mems振动元件的制造工序中，能够将固定部2、可动部3作为一体的构件(一体部200)来使用，从而有能够简化构件的搬运以及组装的工序的效果。

此外，上述的各例中，固定部2、可动部3以及结合部20从硅片形成，但用于形成上述部件的基体材料不限定于硅片。例如，也能够从由蓝宝石等其它结晶材料构成的晶片形成。

并且，上述的各例中，弹性支撑部4的形状呈长方形的平板，但弹性支撑部4的形状不限定于此。例如，也可以如图5所示的变形例所示地呈梯形形状。

图5是示出弹性支撑部4的形状的变形例的图。

图5的(a)所示的弹性支撑部4a呈可动部3侧的宽度(图中的y方向的长度)比基体部1侧的宽度短的梯形形状。另一方面，图5的(b)所示的弹性支撑部4b呈可动部3侧的宽度比基体部1侧的宽度长的梯形形状。

通过像这样使弹性支撑部4呈梯形形状，当弹性支撑部4以基体部1为支点进行振动时，能够缓和弹性支撑部4在基体部1的附近部产生应力的集中。

此外，并不限定于上述例子的梯形形状，若弹性支撑部4的在图中的y方向(与x方向正交的方向)上的宽度在至少一部分根据图中的x方向(连接可动部3和基体部1的方向)的位置而不同，则获得缓和应力的效果。并且，弹性支撑部4的尤其基体部1的附近部的宽度优选根据x方向的位置而不同。

这样的变形例中，通过使弹性支撑部4的y方向的宽度根据x方向的位置而不同，能够缓和在弹性支撑部4的振动时产生的应力，从而有能够提高弹性支撑部4及mems振动元件的耐久性的效果。

此外，以上的例子中，弹性支撑部4及可动部3的振动方向是图1中的z方向，但振动方向不限定于此。

例如，也能够将弹性支撑部4设为与图1中的xz平面并行的平板，并且弹性支撑部4及可动部3构成为在图1中的y方向上振动。

在该情况下，也可以在基体部1的内侧面设置槽部，在该槽部内插入并固定弹性支撑部4的端部。或者，也可以将弹性支撑部4的端部的一部分折弯成90度，利用粘接等将折弯的部分部连接于基体部1的内侧面。

在固定部2及可动部3构成梳齿构造的情况下，弹性支撑部4在图1中的y方向上振动，在该结构中，固定部2及可动部3也可以相应地配置成以图1中的x方向为旋转轴旋转90度。

(振动发电元件)

参照图1对将以上说明的mems振动元件应用于振动发电元件100的情况的一例进行说明。

当将mems振动元件应用于振动发电元件100时，在固定部2中的与可动部3对置的面形成固定电极，在可动部3中的与固定部2对置的面形成可动电极，并在固定电极或可动电极的至少一方形成驻极体。

在由电介质或电导率较低的半导体形成固定部2及可动部3的情况下，在双方的与另一方对置的面进行金属、多晶硅、非晶硅等导电性物质的成膜，从而形成固定电极及可动电极。

另一方面，在由金属或电导率较高的半导体形成固定部2及可动部3的情况下，固定部2及可动部3本身作为固定电极及可动电极发挥功能，从而也可以不另外设置导电性物质。如实施方式所示，以硅为基体材料的固定部和可动部其本身是固定电极2、可动电极3。另外，在如实施方式所示地固定部和可动部构成梳齿构造的情况下，固定部和可动部分别成为固定梳齿电极2、可动梳齿电极3。

通过对固定部2上的固定电极以及可动部3上的可动电极中的至少一方实施公知的带电处理(例如日本特开2014-049557号公报所记载的带电处理)，来形成驻极体。

此外，在固定电极或可动电极的表面并非硅的情况下，在实施带电处理前预先在表面进行多晶硅、非晶硅的成膜。

因驻极体化，固定部2上的固定电极或者可动部3上的可动电极的至少一方半永久地带电。其结果，在与驻极体化后的电极对置的电极(固定电极或可动电极中的另一方)中感应出特性与驻极体化后的电极的特性相反的感应电荷。

而且，若从外部对振动发电元件100施加振动，则弹性支撑部4挠曲而可动部3在z方向上振动。其结果，固定部2上的固定电极与可动部3上的可动电极对置的对置面积变化，驻极体所产生的感应电荷也变化，固定电极与可动电极之间的电位差变化而产生电动势，从而进行振动发电元件100的发电。

如图1所示，在固定部2设有与未图示的固定电极电连接的垫片5a，并且垫片5a利用导线7a而与设于基体部1的电极6a电连接。另一方面，在可动部3设有与未图示的可动电极电连接的垫片5b，并且垫片5b利用导线7b而与设于基体部1的电极6b电连接。

因而，在固定部2上的固定电极与可动部3上的可动电极之间产生的电位差传递至设于基体部1的电极6a及电极6b，并且能够从电极6a及电极6b向外部输出电力。

此外，为了高效地向外部输出电力，电极6a与电极6b优选电绝缘。为此，优选由绝缘材料构成基体部1，或者在基体部1与电极6a、电极6b之间设置绝缘材料。

并且，为了极力不妨碍可动部3及弹性支撑部4的振动，并且确保良好的导电性和耐久性，导线7b优选使用由金、银、铝或者它们的合金构成的细线。

此外，在弹性支撑部4由金属等导电性材料形成的情况下，在以电导通的状态连接可动部3和弹性支撑部4的前提下，也能够将垫片5b设置于弹性支撑部4而并非上述的可动部3。通过尤其在弹性支撑部4的基体部1的附近设置垫片5b，来减少弹性支撑部4振动时的垫片5b的移动量，从而也减少导线7b的变形量，提高导线7b的耐久性。

此外，本例的mems振动元件的用途不限定于使用上述驻极体的振动发电元件，也能够应用于其它方式的振动发电元件。

例如，通过在本例的mems振动元件的固定部或可动部中的一方设置永久磁铁，并且通过电路印刷技术等在另一方形成由金属细线构成的线圈，也能够构成电磁式振动发电元件。

并且，此外，本例的mems振动元件的用途不限定于振动发电元件，能够应用于加速度传感器、麦克风等广泛的用途中。

在上文中对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明不限定于上述内容。并且，各实施方式及变形例可以分别单独地应用，也可以组合来使用。在本发明的技术思想的范围内可想到的其它方案也包括在本发明的范围内。

以下的优先权基础申请的公开内容作为引用文而并入本说明书。

日本专利申请2017年第154475号(2017年8月9日申请)

符号的说明

100—振动发电元件，1—基体部，2—固定部，3—可动部，4—弹性支撑部，20—结合部，10—硅片。