Piezoelectric/Ferromagnetic thin-film integration for wide-band MEMS energy harvesting devices

• Project/Area Number: 23K20252
• Project/Area Number (Other): 20H02120 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
• 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)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); 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)
• Keywords: 圧電薄膜 / MEMS / エナジーハーベスティング / 無線電力伝送 / 磁石薄膜 / 振動発電素子 / 非線形効果 / 圧電 / 磁石 / 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

本研究は磁石と圧電薄膜を融合させることにより，高効率・高出力な振動発電素子を実現させることを目的としている。電子部品のようなサイズの振動素子には機械電気エネルギ変換素子であるPZT薄膜と振動質量となる磁石が搭載されており，離れた位置から低周波磁場が印加されると素子が振動してPZT薄膜が電圧を生じる。すなわち，無線で電力を伝送させることが可能である。これを半導体プロセスで小型化し，センサ用電源として利用することを目指している。低周波磁場は人体への暴露制限が高いことや，間に遮蔽物があっても電力伝送が可能であるため，人体内に埋め込まれたセンサの電源にも利用可能である。

Outline of Annual Research Achievements

振動を入力とするMEMS発電素子の広帯域化を目的としている。具体的には薄膜磁石を用いた非線形振動を導入することを当初予定していた。MEMSプロセスとして，薄膜磁石と圧電薄膜をMEMS素子として融合させることに成功した。また，磁石をおもりとした素子への入力振動と磁場との相互作用，および圧電によるエネルギー変換の影響をモデル化し，集中定数系の等価回路を構築することによって計算することに成功した。一方で，構築したモデルを用いた計算の結果，作製に成功している薄膜磁石を用いたMEMSの系で振動発電素子の広帯域化を行うには，より大きな磁石膜厚が必要であることが明らかとなった。そのため視点を変え，同様の構造でより応用の幅が広い，外部磁場により遠隔で電力を伝送する無線電力伝送素子をターゲットとすることとした。今年度は4本のトーションバーにより振動の節を支持する，高振動性能指数の構造体を提案し，圧電薄膜と磁石を組み合わせた構造体をMEMS工程によって試作した。構造は外部コイルで与えられる低周波磁界によって構造体が共振し，圧電薄膜によって電力を受け取る構造となっている。評価の結果，2cm角程度のサイズの素子によってmWオーダの電力伝送が可能であることを実証した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた振動発電素子の広帯域化については，磁石薄膜と圧電薄膜を集積するMEMSプロセスを確立した一方で，等価回路モデルによる計算の結果，薄膜磁石では双安定状態を実現するような広帯域化が困難なことが明らかとなった。そのため，同様の構造でより応用の幅が広い無線電力伝送素子をターゲットに変更している。ターゲットを変更したものの，これまでのノウハウ・蓄積を利用して実際に素子を設計・試作を行い，mWオーダの電力伝送に成功しており，MEMS素子としては非常に大きなエネルギー伝送を実現した。以上のように方針を変更しつつ成果が出ており，概ね順調に研究が進展しているといえる状況である。

Strategy for Future Research Activity

前年度に試作した素子に関し，最適設計を行うことでよりエネルギ変換効率の高い構造を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Stress Concentration Relief Structure Using Micro-Loading Effect for Cantilever Beam Vibration Energy Harvesters (2023)
  • Author(s): Yokota Takahito、Kanda Kensuke、Fujita Takayuki、Maenaka Kazusuke
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines Volume: 143 Issue: 8 Pages: 256-261
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.143.256
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • Year and Date: 2023-08-01
• [Journal Article] Simple Prediction of Nonlinear Frequency Response for MEMS Diaphragm with Initial Deformation (2023)
  • Author(s): Kanda Kensuke、Kajiyama Yoshitaka、Hirata Yoshiaki、Shimakura Yasuhisa、Fujita Takayuki、Maenaka Kazusuke
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines Volume: 143 Issue: 6 Pages: 137-142
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.143.137
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • Year and Date: 2023-06-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Piezoelectric MEMS Energy Harvester from Airflow at Low Flow Velocities (2022)
  • Author(s): Kanda Kensuke、Aiba Takashi、Maenaka Kazusuke
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1879
  • DOI: 10.18494/SAM3867
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2022-05-24
• [Journal Article] Hetero Integration of Ferromagnetic NdFeB and Piezoelectric PZT for Vibratory MEMS Energy Harvesting Devices (2022)
  • Author(s): Takeda Kohei、Shichiri Ai、Kanda Kensuke、Fujita Takayuki、Maenaka Kazusuke
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines Volume: 142 Issue: 4 Pages: 56-62
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.142.56
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • Year and Date: 2022-04-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characteristics of Sputtered Lead Zirconate Titanate Thin Films With Different Layer Configurations and Large Thickness (2021)
  • Author(s): Kanda Kensuke、Koyama Tsukasa、Yoshimura Takeshi、Murakami Shinichi、Maenaka Kazusuke
  • Journal Title: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Volume: 68 Issue: 5 Pages: 1988-1993
  • DOI: 10.1109/tuffc.2020.3039230
  • Peer Reviewed
• [Presentation] PZT薄膜の厚膜化によるエナジーハーベスタ (2024)
  • Author(s): 神田健介
  • Organizer: 電子セラミック・プロセス研究会第199回研究会
  • Invited
• [Presentation] 振動型MEMSハーベスタを用いた低周波磁界結合による無線電力伝送 (2024)
  • Author(s): 野村明弘，神田健介，藤田孝之，前中一介
  • Organizer: 電気学会交通・電気鉄道/マイクロマシン・センサシステム合同研究会
• [Presentation] バタフライ形状を持つ圧電MEMS振動ハーベスタ (2023)
  • Author(s): 野村明弘，神田健介，横田隆人，前中一介
  • Organizer: 令和5年度電気学会E部門総合研究会
• [Presentation] 機械的弱結合によるハーベスタの出力向上とその等価回路モデル (2023)
  • Author(s): 野村 明弘, 神田 健介, 前中 一介
  • Organizer: 応用物理学会集積化MEMS技術研究会第15回集積化MEMS シンポジウム
• [Presentation] 滴下衝突を利用した圧電MEMSエナジーハーベスタ (2023)
  • Author(s): 成田裕樹，神田健介，前中一介
  • Organizer: 令和5年度電気学会E部門総合研究会
• [Presentation] 落下液滴による圧電振動型ハーベスタ (2023)
  • Author(s): 成田 裕樹, 神田 健介, 前中 一介
  • Organizer: 応用物理学会集積化MEMS技術研究会第15回集積化MEMS シンポジウム
• [Presentation] ハーモニカリード型MEMS 発電素子の反りが自励振動に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 吉田 智郎, 志水 駿文, 神田 健介, 前中 一介
  • Organizer: 第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] 固有値解析によるMEMS 構造での非線形周波数応答予測 (2023)
  • Author(s): 赤松 儀優, 神田 健介, 前中 一介
  • Organizer: 第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] 共振振動による圧電MEMS触覚デバイス (2023)
  • Author(s): 神田健介
  • Organizer: 令和5年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • Invited
• [Presentation] 圧電薄膜の微細加工によるインピーダンス変換とMEMS応用 (2023)
  • Author(s): 神田健介
  • Organizer: 第160回フロンティア材料研究所学術講演会/第27回未来技術研究所生体医歯工公開セミナー
  • Invited
• [Presentation] MEMS CANTILEVERED ENERGY HARVESTER WITH TAPERED THICKNESS FOR STRESS CONTROL (2023)
  • Author(s): T. Yokota, K. Kanda, T. Fujita, K. Maenaka
  • Organizer: IEEE MEMS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEMS圧電薄膜による飛翔デバイスの試作 (2023)
  • Author(s): 田中雄樹, 神田健介, 前中一介
  • Organizer: 令和5年度電気学会全国大会
• [Presentation] ハーモニカリード型MEMS発電素子の振動特性 (2023)
  • Author(s): 志水 駿文, 神田 健介, 前中 一介
  • Organizer: 2023年応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MEMS両持ちはりの共振特性 (2023)
  • Author(s): 赤松 儀優, 神田 健介, 前中 一介
  • Organizer: 2023年応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Mechanical and Process Design for Piezoelectric MEMS Energy Harvesters (2022)
  • Author(s): K. Kanda and K. Maenaka
  • Organizer: IWPMA 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] THICKNESS CONTROL OF CANTILEVER BEAM FOR ROBUST AND HIGH-POWER MEMS ENERGY HARVESTER (2022)
  • Author(s): T. Yokota, K. Kanda, T. Fujita, K. Maenaka
  • Organizer: PowerMEMS 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自律センサのためのMEMSエナジーハーベスティング (2022)
  • Author(s): 神田健介
  • Organizer: 令和4年度電気関係学会関西連合大会
  • Invited
• [Presentation] 片持ちはり振動型エナジーハーベスタのためのマイクロローディング効果を利用した応力集中緩和構造 (2022)
  • Author(s): 横田隆人，神田健介，藤田孝之，前中一介
  • Organizer: 第39回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] 初期ひずみを持つダイアフラム構造の非線形周波数特性の簡易的予測 (2022)
  • Author(s): 神田健介，梶山佳敬、平田善明，島倉泰久，藤田孝之，前中一介
  • Organizer: 第39回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] ハーモニカリード型圧電MEMSによる気流からの振動発電 (2022)
  • Author(s): 神田健介，饗庭岳，前中一介
  • Organizer: 弾性波素子コンソーシアム第7回研究会
• [Presentation] タイヤ固有振動で発電する圧電MEMSデバイス (2022)
  • Author(s): 横田隆人，神田健介，藤田孝之，前中一介
  • Organizer: 電気学会E部門総合研究会MSS研究会
• [Presentation] 風から発電する圧電MEMS振動発電素子 (2022)
  • Author(s): 神田健介，饗庭岳，前中一介
  • Organizer: 電気学会E部門総合研究会MSS研究会
• [Presentation] タイヤトレッドの固有振動で発電する圧電MEMSデバイス (2022)
  • Author(s): 横田隆人，前中一介，神田健介，藤田孝之
  • Organizer: 応用物理学会第12回集積化MEMS技術研究ワークショップ
• [Presentation] Piezoelectric MEMS Energy Harvesting from Tire Tread Acceleration (2021)
  • Author(s): T. Yokota, K. Maenaka, K. Kanda, T. Fujita
  • Organizer: 8th Int. Workshop PiezoMEMS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Piezoelectric MEMS Mirror for Endoscope and Its Driving Integrated Circuit (2021)
  • Author(s): R. Shimada, Y. Kitada, K. Kanda, T. Fujita, K. Maenaka
  • Organizer: 8th Int. Workshop PiezoMEMS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Si基板上における強磁性NdFeBと圧電PZTのヘテロ集積 (2021)
  • Author(s): 武田光平，七里愛，神田健介，藤田孝之，前中一介
  • Organizer: 第38回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] タイヤ固有振動で発電する圧電MEMSデバイス (2021)
  • Author(s): 横田隆人，前中一介，神田健介，藤田孝之
  • Organizer: 第38回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] 多層PZT薄膜とその応用 (2021)
  • Author(s): 神田健介
  • Organizer: 第11回集積化MEMSワークショップ
  • Invited
• [Book] ＶＲ／ＡＲ技術における感覚の提示、拡張技術と最新応用事例 (2021)
  • Author(s): 執筆者:64名、技術情報協会
  • Total Pages: 576
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861048500
• [Book] Nanomagnetic Materials Fabrication, Characterization and Application (2021)
  • Author(s): Editors: Akinobu Yamaguchi, Atsufumi Hirohata, Bethanie Stadler
  • Total Pages: 812
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780128223499