2015 Fiscal Year Research-status Report
MEMS構造体の高Q値共振と広帯域化を両立する高効率環境振動発電デバイス
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15K06016
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山下 馨 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (40263230)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 孝之 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50336830)
野田 実 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (20294168)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 圧電体 / MEMS / 共振 / 分極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
良好な圧電性を有する強誘電体PZT薄膜を用いた発電デバイスにおいて，圧電効果により発電を行う一方，逆圧電効果により共振周波数の制御を行い，発電効率の向上を目指す。今年度は，音響発電型素子の設計・試作と評価を開始した。シリコンMEMSプロセスにより形成した薄いダイアフラム構造上へゾル・ゲル製膜法によりPZT薄膜キャパシタを構成し，ダイアフラムの音響振動を圧電効果により分極変化に変換して電気出力を得る。発電効率の向上に鑑み，特に次の2点を重点的に進めた。
1. ダイアフラム振動の上部電極形状の影響
ダイアフラムの振動時に生ずる圧電分極は，振動モードに対応した不均一な分布を保つため，効率良く圧電出力を得るためには分極分布に合わせた電極設計が必要である。一方で，周波数制御用に分割形状を有する上部電極が振動モード自体に与える影響を明らかにする必要がある。このため，走査型レーザドプラ振動計を用いて，作製したダイアフラム構造体に対してインパルス応答解析により振動モードを評価した。上部電極の厚みを本来設計の50nmから1/2, 1/4と薄くしたものおよび上部電極を持たないものについて評価した結果，特に10nm程度と非常に薄い電極においても電極形状依存モードが出現しており，自己整合的に効率良く分極を取り出すことができる振動モードが誘起されることを確認した。
2. ダイアフラムの撓み形状制御
ダイアフラムに静的撓み形状を導入することにより，撓み振動から圧電層の歪み振動への変換係数を増大して発電効率を向上することができる。静的撓み量を支配するPZTの応力を制御するために，ゾル・ゲル製膜工程における仮焼成温を変化させたときの反り構造を評価した。300℃，350℃，400℃の範囲内では400℃において大きく応力が緩和することが示され，高効率発電を実現する形状を構成するために必要な重要なパラメータが得られた。
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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
実施計画としていた(1)ダイアフラム振動時の分極分布と電極配置の最適化および(2)発電効率向上のためのPZT応力制御について，それぞれ全体としては当初計画通りに進捗している。進捗内容の細部について，(1)電極形状自体が振動モードに影響を与えるため，自己整合的に効率良く圧電出力が得られる可能性が新たに発見されたこと，および(2)仮焼成温度の変化により連続的に応力が変化しているのではなく，特定の温度において大きく物性が変化している可能性が示唆された。それぞれ，当初予期できなかった新たな知見であり，研究推進の次の段階への着目点が得られたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)振動モードと電極形状設計については，現状の方形ダイアフラムだけでなく，より対象性の高い安定した振動モードが期待できる円形ダイアフラムについても作製と評価を進める。(2)ゾル・ゲルリ製膜時の仮焼成温度により，応力以外の物性が受ける影響を明らかにし，静的撓みダイアフラムによる変換効率向上だけでなく，圧電体物性を含めたトータルでの発電効率向上のための最適条件を追究する。
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| Causes of Carryover |
サンプル作製そのものよりも作製したサンプルの評価を重点的に行ったため，サンプル作製のための原材料費およびプロセスを進めるための消耗品等の消費が少なく，当初予定より使用金額が少なくなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度成果により，作製するサンプルの条件が明らかになったため次年度はより多くのサンプル作製の原材料費および消耗品が必要となること，およびサンプル評価系の改良の費用が必要となるため，それらに用いる予定である。
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