Piezoelectric/Ferromagnetic thin-film integration for wide-band MEMS energy harvesting devices
Project/Area Number |
20H02120
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
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Research Institution | University of Hyogo |
Principal Investigator |
神田 健介 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (20446735)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
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Keywords | MEMS / 振動発電素子 / 非線形効果 / 圧電 / 磁石 / 圧電薄膜 / 磁石薄膜 / 振動発電 / 非線形振動 / エナジーハーベスタ / 自律センサ / ハーベスタ / 半導体製造プロセス / 強誘電体 / 強磁性体 / 薄膜 / 微細加工 / 磁性体薄膜 |
Outline of Research at the Start |
MEMSと圧電薄膜,磁性薄膜を融合させた高効率振動発電素子を実現する。ワンチップ内に圧電膜と磁性膜を集積配置させて,双安定状態などの非線形振動を利用可能とし,MEMS振動発電の素子の広帯域化を図る。非線形振動利用による広帯域化について,素子設計のみならず,周辺回路についての検討も同時に行う。これらによって,無線センサ向けの振動発電素子を,高出力密度・広帯域でなおかつ半導体製造によるバッチプロセス適合な条件で実現する。振動発電素子の設計論を確立し,試作評価を通して有用性を実証し,さらに適切なアプリケーションに組み込むことによる社会実装も視野に入れて研究を遂行する。
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Outline of Annual Research Achievements |
圧電PZT薄膜による振動発電素子にNdFeB薄膜磁石を集積化させ,広帯域な振動発電素子を実現することを目的として研究を行っている。前年度までにPZT薄膜とNdFeB薄膜4インチSiウエハ上に集積するバッチプロセスを確立し,それぞれの薄膜がその特性を損なうことなく機能することを確認している。 今年度は,実際のデバイス設計を行うため,磁石薄膜を組み込んだバネマスダンパ系の動作について,有限要素法によって定式化した磁気力を組み込んだ運動方程式ベースの数値解析手法を確立した。これを用いた広帯域化設計を現在実施中である。 関連して,非線形な振動特性を持つMEMS構造体の周波数応答を事前予測することは,本研究のみならず幅広い応用において非常に重要であるが,有限要素法による大変形過渡解析は非常に計算コストが高く,気軽に利用できる状況に無いのが現状である。そこでその簡易的な予測手法を考案した。具体的な手法は,静的な有限要素解析から非線形な復元力項を抽出し,これを数値計算に入力するものである。これについては国内学会や学術誌において報告済みである。 一方で,本研究のもう一つの応用として,磁石と圧電材料を用いた無線電力伝送にも着目しており,圧電MEMS振動発電素子にバルク磁石を貼り付けた基礎実験を行った。5cmの距離において100μW以上の電力伝送に成功し,人体への影響が小さい低周波磁界による無線電力伝送手法としての有用性を確認した。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
一番の課題と考えていた圧電薄膜と磁石薄膜の集積化は前年度までに可能であることを実証している。今年度は予定していたデバイス試作に向けた設計手法を確立しただけでなく,無線電力伝送についての基礎検討についても実施しており,おおむね順調に研究が進展していると考える。
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Strategy for Future Research Activity |
デバイス設計手法を確立したので,これを用いた広帯域化設計を行い,実デバイス試作とその評価を実施していく予定である。
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Report
(3 results)
Research Products
(23 results)