2016 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, 工学研究科, 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 |
圧電PZT薄膜を利用した振動型MEMS環境発電デバイスにおいて，圧電効果による発電と逆圧電効果による共振周波数制御を組み合わせて発電効率の向上を目指す。圧電MEMS振動構造において昨年度得られた，振動モードと圧電薄膜応力に関する知見をデバイス特性の向上へ結びつけるべく，今年度は特に以下の2点を中心に研究を進めた。
1. ダイアフラムの静的撓み形状と振動形状の関係
電極の存在が振動モードを自己整合的に発電電極部分へ集中させる様態が昨年度観測されたが，実際の発電量を決定付けるのは複数の振動モードが重畳して生ずる振動形状であり，今年度はモード毎に分解せず振動形状全体に着目して評価を進めた。その結果，発電に寄与する中心対称振動の現れ方がダイアフラムの静的撓み形状に依存して変化していることが示唆された。撓み量をダイアフラム径で除した比率で11%を境に振動形状が大きく様相を変え，また7～8%でもその境界が存在する可能性が示された。特に前者で撓み量が大きい領域では発電効率の向上に繋がる振動形状が観測されており，今後撓み量と振動形状の関係をより詳細に調査すべきとの指針が得られた。
2. ゾル・ゲルPZT薄膜の製膜条件と応力制御
ゾル・ゲル製膜工程における仮焼成温度がPZT薄膜に与える影響について，昨年度は応力の観点のみから研究を進めたが，今年度は応力だけでく結晶性，強誘電性およびデバイス完成時のダイアフラム撓みと最終的な電気機械変換効率にまで評価項目を広げて研究を進めた。さらに仮焼成温度の下方範囲を250℃まで広げ，また初期結晶化層の厚みを制御することにより結晶配向方向を制御して薄膜作製を行った。その結果，まず(100)配向で応力の低減がみられ，さらに250℃仮焼成膜ではこれまでになく高い変換効率を示す可能性が得られた。今後より詳細に高効率化を実現する条件を見出すための指針が得られた。
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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
実施計画として掲げていた(1)ダイアフラム振動時の分極分布の最適化および(2)発電効率向上のためのPZT応力制御について，それぞれ昨年度の知見をさらに広げる進捗が得られている。特に(1)では撓み量の増大が振動モードの観点での変換効率向上に寄与する可能性が示唆されたことから，ダイアフラム撓み形状がトータル発電量を増大させるより重要な要因であることが示された。これは従来得られていなかった知見であり，今後の研究方針としてどこに集中すべきかを明確に示すことができた。また(2)では，結晶配向性により応力を大きく制御できる点，およびこれまで積極的に利用していなかった低温域での仮焼成がデバイスの変換効率を飛躍的に向上する可能性が見出された。これらのことから，次年度の研究推進の方向を明確に設定することができる成果が得られたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 振動モードと分極分布については，ダイアフラム撓みが振動形状に与える影響をより詳細に追究してゆく。特に後述(2)の元となる今年度の成果から応力をより低減化する方策が得られたため，撓み量のバリエーションをより大撓み側へ広げた研究を行うためのデバイス作製条件が得られる可能性があり，これを利用して撓み量と振動形状の関係を明確化してゆきたい。また(2)ゾル・ゲル製膜条件と発電効率向上については，応力低減の観点のみならず，低温仮焼成において高い変換効率が得られたメカニズムを明らかにしてゆきたい。これらの知見を合わせて，総合的にデバイス性能を向上するための最適条件を追究する。
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| Causes of Carryover |
発電効率の高いデバイスを実現するためにより小さな応力をもつ薄膜を追究したが，微小な応力を精密に測定するために，個々のサンプル作製と評価に多大な手間と時間を要した。そのため年度全体として時間内に作製できるサンプル数が減少し，当初主に使用する予定であった材料費や消耗品費が想定外に少額となったことが主な理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は研究補助者および連携研究者の協力を得て，効率よくサンプル作製と評価を進めて行く。このため，サンプル作製にあたり材料費および消耗品費の使用が増加するためこれらに充てる。またデバイスの静的・動的評価を効率良く行うための測定系の改良を行うため，そのための部品・部材等の消耗品の購入に充てる予定である。
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