(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる第１基本振動共鳴周波数をそれぞれ有する、複数の第１機械共鳴構造と、
ひとつ以上の電気機械的トランスデューサコンポーネントを含み、かつ、前記第１機械共鳴構造の前記第１基本共鳴周波数より大きい第２基本振動共鳴周波数を有する、第２機械共鳴構造と、
を備え、
前記第１機械共鳴構造および前記第２機械共鳴構造の空間的寸法は、４ｍｍより小さく、
外部の機械的振動によって駆動される前記第１機械共鳴構造の振動は、前記第１機械共鳴構造に、前記第２機械共鳴構造との間欠的な結合を生じさせ、前記第２機械共鳴構造の前記電気機械的トランスデューサコンポーネントが、可変コンデンサを使って静電変換することにより、前記第２機械共鳴構造の振動を電気エネルギーまたは信号に変換するように前記第２機械共鳴構造の前記振動を駆動し、
各前記第１機械共鳴構造は、前記第１機械共鳴構造の前記振動が結合部材に前記第２機械共鳴構造を間欠的に押させ、それにより前記第２機械共鳴構造の前記振動を駆動するように、前記第２機械共鳴構造の方向に伸長するひとつ以上の前記結合部材を有し、
前記第２機械共鳴構造は、前記第２機械共鳴構造の前記振動が、複数の細長いビームの長手軸線に対して直交しかつ反対方向に生じるように、前記複数の細長いビームによって吊り下げられた試験質量を含む、ことを特徴とするマイクロ電気機械的トランスデューサ。
【請求項２】
前記外部の機械的振動は、ある範囲の周波数にわたり、それぞれ異なる前記第１基本振動共鳴周波数は、まとめて、その周波数範囲に対応する、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電気機械的トランスデューサ。
【請求項３】
前記第１機械共鳴構造は、相互に独立である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ電気機械的トランスデューサ。
【請求項４】
前記第１機械共鳴構造は、結合バネによって相互に結合されている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロ電気機械的トランスデューサ。
【請求項５】
前記第１機械共鳴構造の各々は、サーペンタインバネによって吊り下げられた試験質量を有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロ電気機械的トランスデューサ。
【請求項６】
前記サーペンタインバネは、前記第１機械共鳴構造の各試験質量の前記振動が、前記試験質量を支持する対応する前記サーペンタンバネに向かう方向および離れる方向に交互に変化するように構成されている、ことを特徴とする請求項５に記載のマイクロ電気機械的トランスデューサ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の前記マイクロ電気機械的トランスデューサを備えるエネルギーハーベスター。
【請求項８】
マイクロ電気機械的変換方法であって、
機械的振動のそれぞれの周波数に対応する異なる第１基本振動共鳴周波数をそれぞれ有する複数の第１機械共鳴構造に前記機械的振動を結合する工程であって、前記結合が、前記ひとつ以上の第１機械共鳴構造を振動させる、工程と、
ひとつ以上の電気機械的トランスデューサコンポーネントを含み、かつ、前記第１機械共鳴構造の前記第１基本振動共鳴周波数より大きい第２基本振動共鳴周波数を有する第２機械共鳴構造に、前記第２機械共鳴構造を間欠的に押し、それにより前記第２機械共鳴構造の前記振動を駆動する、前記第１機械共鳴構造のひとつ以上の結合部材を介して、前記第１機械共鳴構造の前記振動を結合する工程であって、前記第１機械共鳴構造の前記振動は、前記第２機械共鳴構造の振動を駆動し、前記第２機械共鳴構造の前記電気機械的トランスデューサコンポーネントは、可変コンデンサを使って静電変換することにより、前記第２機械共鳴構造の前記振動を電気エネルギーまたは信号に変換する、ところの工程と
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、電気機械的トランスデューサ、電気機械的トランスデューサを製造するための方法、および、環境発電を含む、機械的振動が電気エネルギーまたは信号に変換されるところの電気機械変換のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーハーベスター（エネルギースカベンジャーとしても知られる）は、環境エネルギーを他のデバイスまたはシステムによって使用可能な形式に変換する装置または構造である。特に、ミクロンスケールのエネルギーハーベスターが、周囲環境からの機械的振動を電気的エネルギーに変換するように開発されてきた。しかしながら、既存のエネルギーハーベスト装置および構造は、製造が難しい不所望に複雑な構造、および、実際の使用の信頼性に適さないなどのさまざまな困難を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、従来技術のひとつ以上の困難を解決するかまたは緩和すること、または有用な代替物を提供することが所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願発明のいくつかの態様に従い、機械電気的トランスデューサが与えられる。当該トランスデューサは、
第１基本振動共鳴周波数を有するひとつ以上の機械共鳴構造と、
ひとつ以上の電気機械的トランスデューサコンポーネントを含み、かつ、第１機械共鳴構造の第１基本共鳴周波数より実質的に高い第２基本振動共鳴周波数を有する、第２機械共鳴構造と、
を有し、
第２機械共鳴構造の電気機械的コンポーネントが、第２共鳴構造の振動を電気エネルギーまたは信号に変換するように、外部の機械的振動によって駆動される第１機械共鳴構造の振動は、第１機械共鳴構造を、第２共鳴構造の振動を駆動するべく第２共鳴構造と間欠的に結合させる、ことを特徴とする。
【０００５】
ある態様において、ひとつ以上の機械共鳴構造は複数の第１機械共鳴構造である。
【０００６】
ある態様において、複数の第１機械共鳴構造は、それぞれ異なる第１基本振動共鳴周波数を有する。
【０００７】
ある態様において、外部の機械的振動は周波数範囲を画定し、それぞれ異なる第１基本振動共鳴周波数は、まとめておよび実質的に、当該周波数範囲に対応する。
【０００８】
ある態様において、第１機械共鳴構造は相互に独立である。
【０００９】
ある態様において、第１機械共鳴構造は、結合バネによって相互に結合されている。
【００１０】
ある態様において、第１機械共鳴構造の各々は、サーペンタインバネによって吊り下げられた試験質量を有する。
【００１１】
ある態様において、第１機械共鳴構造の各試験質量の振動が、試験質量を支持する対応するサーペンタインリーフバネの方向またはそれから離れる方向に交互に移動するように、サーペンタインバネは配置されている。
【００１２】
ある態様において、第２機械共鳴構造の振動が、細長いビームの長手軸と直交する反対方向に生じるように、第２機械共鳴構造は、細長いビームによって吊り下げられた試験質量を含む。
【００１３】
ある態様において、第１機械共鳴構造の振動は、結合部材に対して、第２共鳴構造を間欠的に押圧し、それにより第２共鳴構造の振動を駆動させるように、第１機械共鳴構造の各々は第２共鳴構造の方向へ伸長するひとつ以上の結合部材を有する。
【００１４】
ある態様において、第１および第２機械共鳴構造の空間寸法は、４ｍｍより小さい。
【００１５】
本願発明のある態様にしたがい、上述したトランスデューサのいずれかを含むエネルギーハーベスターが与えられる。
【００１６】
本願発明のある態様にしたがい、電気機械変換プロセスが与えられ、当該プロセスは、機械的振動のそれぞれの周波数に対応するそれぞれの第１基本振動共鳴周波数を有するひとつ以上の第１機械共鳴構造に、機械的振動を結合し、その結合が、ひとつ以上の第１機械共鳴構造を振動させる、工程と、
ひとつ以上の電気機械的トランスデューサコンポーネントを含み、第１機械共鳴構造の第１基本共鳴周波数より実質的に高い第２基本共鳴周波数を有する第２機械共鳴構造に、第１機械共鳴構造の振動を結合し、第１機械共鳴構造の振動が、第２共鳴構造の振動を駆動し、第２共鳴構造の電気機械的トランスデューサコンポーネントが第２共鳴構造の振動を電気エネルギーまたは信号に変換する工程とを有する。
【００１７】
ある態様において、ひとつ以上の第１機械共鳴構造は、複数の機械共鳴構造である。
【００１８】
ある態様において、複数の第１機械共鳴構造は、それぞれ異なる第１基本振動共鳴周波数を有する。
【００１９】
本願発明のある態様に従い、上記したプロセスのいずれかを実行するように構成された構造を含む電気機械的トランスデューサが与えられる。
【００２０】
本願発明のある態様に従い、マイクロマシン電気機械的トランスデューサを製造するためのプロセスが与えられる。当該プロセスは、
外部の機械的振動の周波数範囲を判定する工程と、
外部の機械的振動の周波数範囲と実質的かつ集合的に対応するそれぞれ異なる第１基本振動共鳴周波数を有する複数の第１機械共鳴構造を製造する工程と、
ひとつ以上の電気機械的トランスデューサコンポーネントを含み、かつ、第１機械共鳴構造の第１基本共鳴周波数より実質的に高い第２の基本共鳴周波数を有する第２機械共鳴構造を製造する工程とを有し、
第１機械共鳴構造および第２機械共鳴構造は、周波数範囲内の外部の機械的振動によって駆動される第１機械共鳴構造の振動が、第１機械共鳴構造を、第２共鳴構造の振動を駆動するよう、第２共鳴構造と間欠的に結合させ、第２共鳴構造の電気機械的トランスデューサコンポーネントが第２共鳴構造の振動を電気的エネルギーまたは信号に変換する、ことを特徴とする。
【００２１】
ある態様において、ひとつ以上の第１機械共鳴構造は、複数の第１機械共鳴構造である。
【００２２】
ある態様において、複数の第１機械共鳴構造は、それぞれ異なる第１基本振動共鳴周波数を有する。
【００２３】
ある態様において、当該プロセスは、第１機械共鳴構造および第２機械共鳴構造の振動は、機械的振動ソースの対応する機械的振動と実質的にアライメントされるように、周波数範囲内での機械的振動ソースに対して、第１機械共鳴構造および第２機械共鳴構造をマウントする工程を有する。
【００２４】
ある態様において、第１機械共鳴構造の振動および第２機械共鳴構造の振動は横振動である。
【００２５】
ある態様において、第１機械共鳴構造の振動および第２機械共鳴構造の振動は、共通基板に対して平行な横振動である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本願発明のいくつかの実施形態が、例示として、添付する図面を参照して以下で説明される。
【図１】図１は、電気的パワーを供給するための、機械的振動エネルギーハーベスティングまたはスキャベンジングの使用を概略的に示す。
【図２】図２は、単純な振動駆動ジェネレータの一般的モデルの略示図である。
【図３】図３は、ひとつ以上の比較的低周波の横共鳴器が、比較的高周波の横共鳴器へ振動エネルギーを結合するように配置されている、本願発明の実施形態に従うエネルギーハーベスティングデバイスのブロック図である。
【図４】図４は、３つの低周波横共鳴器を含む、図３に示すエネルギーハーベスティングデバイスのブロック図である。
【図５】図５は、比較的低周波の横共鳴器が、デバイスの低動作周波数範囲の帯域幅を増加させるべく、互いに対して結合された、図４に示すエネルギーハーベスティングデバイスのブロック図である。
【図６】図６は、図４のエネルギーハーベスティングデバイスの実施形態のコンピュータ生成モデルの画像である。
【図７】図７は、共鳴器試験質量を支持するサーペンタインバネを詳細に示す、図６の比較的低周波の横共鳴器のひとつのコンピュータ生成モデルの画像である。
【図８】図８は、共鳴器試験質量を支持する細長いバネを詳細に示す、図６の高周波横共鳴器のコンピュータ生成モデルを示す。
【図９Ａ】図９Ａは、図６のエネルギーハーベスターを製造するプロセス中の、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウエハ（付加的な堆積層を含む）の略示断面図のセットを示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図６のエネルギーハーベスターを製造するプロセス中の、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウエハ（付加的な堆積層を含む）の略示断面図のセットを示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図６のエネルギーハーベスターを製造するプロセス中の、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウエハ（付加的な堆積層を含む）の略示断面図のセットを示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、図６のエネルギーハーベスターを製造するプロセス中の、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウエハ（付加的な堆積層を含む）の略示断面図のセットを示す。
【図１０】図１０は、図６に示す横共鳴構造を製造するのに使用されるフォトマスクの画像である。
【図１１】図１１は、高周波横共鳴器の可変コンデンサを形成する、かみ合いフィンガー電極のひとつを詳細に示す、図８の高周波横共鳴器の製造例の一部の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図１２】図１２は、約２μｍの横方向間クリアランスを有する、かみ合いフィンガー電極の拡大図を示す走査電子顕微鏡画像である。
【図１３】図１３は、図７の低周波構造のメッシュ３次元有限要素解析（ＦＥＡ）モデルを示すコンピュータ生成画像である。
【図１４】図１４は、３９１．７Ｈｚの周波数での、図７および１３の低周波構造の基本共鳴モデルを示すコンピュータ生成画像である。
【図１５】図１５は、３０９．５Ｈｚの周波数での、第２の低周波構造の基本共鳴モデルを示すコンピュータ生成画像である。
【図１６】図１６は、２３０．２Ｈｚの周波数での、第３の低周波構造の基本共鳴モデルを示すコンピュータ生成画像である。
【図１７】図１７は、９７４Ｈｚの測定共鳴周波数で、さまざまな方法を使ってシミュレーションされ、および、実験的に測定された、かみ合いフィンガー電極を横切って印加されるピークツーピーク（ｐｐ）の交流電流（ＡＣ）電圧と、高周波横共鳴器の横変位の関係を示すグラフである。
【図１８】図１８は、１９７６Ｈｚの測定共鳴周波数（周波数２倍効果による、構造体の基本および固有振動数の半分である）で、さまざまな方法を使ってシミュレーションされ、および、実験的に測定された、かみ合いフィンガー電極を横切って印加されるピークツーピーク（ｐｐ）の交流電流（ＡＣ）電圧と、高周波横共鳴器の横変位の関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、ＦＥＡシミュレーション用に使用された高周波横共鳴器の３次元固体モデルの平面図である。
【図２０】図２０は、３．４６ｋＨｚの周波数で、高周波構造の第１横共鳴モードを示すコンピュータ生成画像である。
【図２１】図２１は、ひとつ以上の電気的負荷（典型的にひとつ以上の環境センサ、無線送信機、および、他のマイクロ電子コンポーネントを含む）に電力を付勢するためのエネルギーハーベスティングデバイスの典型的なアプリケーションを示すブロック図である。
【図２２】図２２は、機械的振動から電気的エネルギーを生成するための可変コンデンサを有する対応する高周波機械共鳴器を駆動するためのそれぞれ異なる共鳴周波数を有する３つの相互接続された低周波機械共鳴器を含む、本願発明に従う、マイクロ製造されたエネルギーハーベスターアセンブリの走査電子顕微鏡画像である。
【図２３】図２３は、セラミックパッケージ内にマウントされたエネルギーハーベスターアセンブリを含み、エネルギーハーベスターアセンブリと、セラミックパッケージの結合ピンとの間に電気的に接続された配線を含む、一体化されたダイの写真である。
【図２４】図２４は、ストロボ撮影およびマイクロシステムアナライザーを使って振動動作の画像を撮像しながら、図２２の高周波機械共鳴器の振動を駆動するべく、電気的駆動信号を使用するように構成されたテスト装置のブロック図である。
【図２５】図２５は、機械共鳴器を振動へ機械的に駆動するための電動シェイカー、および、機械共鳴器の振動の画像を撮像するためのマイクロシステムアナライザーを使って、図２２の個別の機械共鳴器の周波数応答を測定するためのテスト装置のブロック図である。
【図２６】図２６は、３．３ｋＨｚの周波数でシャープな共鳴を示す、一体駆動電極を横切って電気信号を印加することにより駆動される高周波機械共鳴器の周波数応答を示すボードプロットである。
【図２７Ａ】図２７Ａは、低周波機械共鳴器の周波数応答を示すボードプロットを含む。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、他の低周波機械共鳴器の周波数応答を示す他のボードプロットを含む。
【図２７Ｃ】図２７Ｃは、他の低周波機械共鳴器の周波数応答を示す他のボードプロットを含む。
【図２８Ａ】図２８Ａは、スイッチオフ状態の、電動シェイカーへ結合されたスティンガーロッドにマウントされたエネルギーハーベストアセンブリによって生成される出力を示すオシロスコープスクリーン画像である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、電力増幅器を通じて電動シェイカーに印加された３００Ｈｚで３．０Ｖｐｐ信号によって駆動される、電動シェイカーへ結合されたスティンガーロッドにマウントされたエネルギーハーベストアセンブリによって生成される出力を示すオシロスコープスクリーン画像である。
【図２９】図２９は、機械共鳴器の振動を駆動するのに使用される電動シェイカーおよびスティンガーを示す写真であり、挿入図は、スティンガーにマウントされたエネルギーハーベスティングアセンブリの拡大図を示し、顕微鏡対物レンズを使ってマイクロシステムアナライザーによって撮像されたものである。
【図３０】図３０は、電動シェイカーの外部の機械的振動の周波数と、エネルギーハーベスティングアセンブリによって生成される電気的パワー出力との関係を示すグラフである。
【図３１】図３１は、負荷抵抗値と、エネルギーハーベスティングアセンブリによって生成される電気パワー出力との関係を示すグラフである。
【図３２】図３２は、高周波共鳴器のかみ合いフィンガー電極に印加されるＤＣバイアスと、エネルギーハーベスティングアセンブリによって生成される電気パワー出力との関係を示すグラフである。
【図３３】図３３は、電動シェイカーの機械的振動からエネルギーハーベスティングアセンブリによって生成される電気的エネルギーを使って、発光ダイオード（ＬＥＤ）を付勢するのに使用されるエネルギーハーベスティングアセンブリを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、負荷および／またはエネルギー格納デバイス１０６に電気的エネルギーを与えるために、振動ソース１０４からの機械的振動の形式で周囲または環境エネルギーを獲得するエネルギーハーベスターまたはエネルギースカベンジャー１０２の使用を示す略示図である。したがって、このデバイスは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するため（概して、逆も同様）、電気機械的トランスデューサである。本願発明の実施形態は、環境調査の目的で、昆虫に取り付けられる電気回路を付勢するべく昆虫の運動エネルギーの一部を獲得するために、生きた昆虫に取り付けられたミクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造の文脈で説明される。しかし、ここで説明するデバイスおよび構造は、広範囲の振動ソースおよび振動周波数から、電気エネルギーおよび／または信号を生成するのに広く使用可能であり、より広範囲の使用可能性が存在することは当業者の知るところである。
【００２８】
ここで説明する実施形態の文脈において、説明するエネルギーハーベスティングデバイスまたはアセンブリは、デバイスまたは構造が取り付けられた蜂の飛行および他の身体的動作から生じる機械的振動から電気的パワーを生成するように構成される。説明されるエネルギーハーベスターは、数平方ミリメートルの物理的寸法、数ミリメートル立方の体積を有し、それゆえ、蜂または他の生きた昆虫に取り付けるのに適している。ここで説明する電気機械的トランスデューサは、所望のアプリケーションの要求に応じて、異なる長さスケールの非常にさまざまな異なる構成で与えられることは当業者の知るところである。
【００２９】
ここでは詳細に説明しないが、生成された電気エネルギーは、ひとつ以上の他のミクロンスケールのコンデンサ内に格納可能であり、引き続き、低パワー無線送信機および／または受信機のような集積回路および／または低パワーＭＥＭＳセンサを動作するのに十分な数百マイクロワット、または、ミリワット以下までの電気的パワーを与えるのに利用される。付加的に、ここで説明されるエネルギーハーベスティングデバイスは、メンテナンス不要な自立パワーシステムを与える微小バッテリーおよび／または顕微鏡ソーラーセルと関連して使用されてもよい。
【００３０】
したがって、ここで説明するエネルギーハーベスティングデバイスは、メンテナンスがいらない、自立タイプのシステムを与えるのに使用され、アクセスが困難および／または厳しい環境において動作するマイクロシステムを付勢するのに特に有用である。ここで説明するエネルギーハーベスティングデバイス／構造は、マイクロバッテリーおよびマイクロ燃料セルのような他のハーベスティングデバイスに比べ、寿命が長く、安定性が高く、かつ、環境への影響がより少ないことが期待される。
【００３１】
図２は、電気的機械振動エネルギーハーベスターの一般的な動作原理を示す。単純に置かれると、外部振動２０２によって生成される運動エネルギーの一部が、ひとつ以上の可変コンデンサの形式のダンピングコンポーネント２０８に結合され、かつ、バネ結合２０４されたイナーシャまたは試験質量２０６を通じて、電気エネルギーに変換される。ＭＥＭＥＳコンデンサは製造が比較的単純であり、概して、他の形式の電気機械的トランスデューサ（ピエゾ電気および電磁気トランスデューサなど）に比べより小さい物理的寸法を有しているため、可変コンデンサを通じた静電変換が、ここで説明するエネルギーハーベスターとして選択されている。
【００３２】
静電変換はマイクロエレクトロニクスとの一体化を容易にする（すなわち、オンチップ・インテグレーション）が、変換プロセスを生じさせるための電圧バイアスが必要となる。この困難性は、最初にコンデンサを充電することによって、または、電荷充電材料を採用することにより解決可能である。
【００３３】
さまざまなコンデンサが、２つの動作モードのいずれかにおける振動から電気的パワーを生成することができる。コンデンサの電荷が制限されると、振動によって生じるコンデンサプレート間の間隔が変化することでキャパシタンスが変化する際に、コンデンサを横切る電圧が増加する。逆に、コンデンサを横切る電圧が制限されると、振動によるキャパシタンスが変化する際に、コンデンサへまたはコンデンサから電荷が流れる。上述した実施形態において、電圧制限モードは２つの別個の電圧ソースを要求するため、電荷制限動作モードが選択された。その詳細は、S. Meninger、 J. O. Mur-Miranda、 R. Amirtharajah、 A. P. Chandrakasan、および、 J. H. Langによる “Vibration-to-Electric Energy Conversion”と題する論文 IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, Vol. 9, No.1, February 2001, pp. 64 - 76に記載されている。
【００３４】
図２のモデルに戻って、イナーシャ質量２０６に取り付けられたＭＥＭＳ可変コンデンサのキャパシタンスは、所与の時刻における外部振動ｙ（ｔ）２０２によって駆動されるハウジング２１０に対するイナーシャ質量２０６の変位ｚ（ｔ）によって決定される。生成された変位およびその固有振動数は、静電近似に基づいた等価電力量を計算して測定可能である。その近似式は、P. D. Mitcheson、 T. C. Green、 E. M. Yeatman、および、A. S. Holmesによる “Architectures for Vibration-Driven Micropower Generators”と題する論文 IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 3, pp. 429 - 440, 2004に、以下のように記載されている。
【数１】
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ここで、Ｙ０、ω、ｍおよびｘは、それぞれ、ソース動作振幅（ｍ）、駆動周波数（Ｈｚ、振動ソースの駆動周波数は、デバイスの固有振動数と理想的には同じであるべきである）、デバイス質量（ｋｇ）、および、イナーシャ質量変位（ｍ）である。したがって、電力Ｐｒｅｓは、ωｃ＝１に設定した状態での共鳴で生成される（ωｃ＝（ω／ωｎ）、ここで、ωｎは一体型ドライブの微小共鳴器の固有振動数（Ｈｚ）である）。
【００３５】
上述した実施形態において、エネルギーハーベスティングデバイスは、細長または互いにかみ合うフィンガー電極のセットによって構成された一体型ドライブ形式のＭＥＭＳ可変コンデンサを有し、ひとつのセットは固定され、残りは共鳴器の一部であり、フィンガー電極の２つのセット間の面オーバーラップの度合い（ひいては、キャパシタンスおよび電圧）は、それがマウントされている固定基板に対する共鳴器の変位によって決定されるように構成されている。
【００３６】
変換効率を増加させるために、横共鳴器の変位は実際に可能なコンデンサの限界と同じ大きさであるべきである。これは、共鳴構造の振動の共鳴周波数が、機械的振動周波数であるかそれに近くなければならないことを意味する。
【００３７】
しかし、この要求は、比較的広範囲の外部振動周波数から電気的パワーを生成することを目的とする状況においては困難をもたらす。例えば、セイヨウオオマルハナバチ（Bombus terrestris）のような活発なマルハナバチの振動からパワーを生成することが目的であるこのケースにおいて、これらの信号は、約２ｋＨｚまでの高調波を有する、約１００Ｈｚから４００Ｈｚの比較的広範囲の基本周波数によって特徴づけられる。
【００３８】
広帯域の環境振動によってもたらされるこの困難性を解決するために、ここで説明するエネルギーハーベスターは、環境振動の周波数範囲にまとめて対応するそれぞれ異なる共鳴周波数を有する複数の共鳴器を含むことによって、広い周波数範囲内で効率的に周波数を吸収するように構成されている。
【００３９】
しかし、静電変換の効率は、コンデンサプレートの相対的変位に周波数の３乗に比例するというさらなる困難が存在し、そのことは、エネルギーハーベスターを駆動する外部振動の周波数が比較的小さいところの本願発明のような状況において、低いエネルギー変換効率を生じさせるということを意味する。
【００４０】
外部振動の周波数が比較的低いところの状況において、静電変換の周波数依存性によってもたらされるこの困難を解決するために、説明したエネルギーハーベスターは、比較的高い横振動基本共鳴周波数を有するさらなる共鳴器を含む。この付加的な共鳴器をひとつ以上の比較的低い周波数の共鳴器と機械的に結合することによって、比較的低い周波数の共鳴器の振動は、付加的な共鳴器によってより高い周波数まで効率的にアップコンバートされる。高周波共鳴器の一部としてひとつ以上の可変キャパシタトランスデューサを含むことにより、エネルギー変換効率は大きく強化される。
【００４１】
説明したエネルギーハーベスターまたはスカベンジャー、またはトランスデューサは、説明の都合上デバイスまたは構造として説明したが、その構成に鑑み、本願発明の上述した実施形態を構造体のアセンブリとして言及してもよいと考える。しかし、これらの用語は、特にことわらない限り、本明細書において相互に置換可能であると考えるべきである。
【００４２】
図３は、本願発明に従う、エネルギーハーベスティングデバイス３００の全体の構成を示す略示図である。各デバイスまたはアセンブリ３００は、ひとつ以上の第１機械共鳴構造３０２および第２機械共鳴構造３０４を有する。
【００４３】
当業者が理解するように、一般的に、機械的構造は、少なくとも一つの機械共鳴周波数を有し、典型的に高調波または複数の最低または基本共鳴周波数を含む複数の共鳴周波数を有する。説明の都合上、用語“共鳴周波数”およびその異形語は、特に断らない限り、本明細書において構造の基本または最低周波数共鳴モードに言及していると理解すべきである。特に、説明した機械共鳴構造の文脈において、用語“共鳴周波数”は、概して、構造の基本または最低周波数振動共鳴モードの周波数（概して、最大の変位を与える共鳴モードに対応している）に言及していると理解されるべきである。
【００４４】
一つ以上の第１機械共鳴構造３０２は、それぞれ基本横振動共鳴周波数ｆＬ１、ｆＬ２、・・・ｆＬＮを有する（それゆえ、ここでは横共鳴器とも言及される）。すなわち、さまざまな実施形態において、ひとつの第１機械共鳴構造３０２のみ、したがって、単一の基本共鳴周波数が存在してもよい。または代替的に、複数の第１機械共鳴構造３０２が存在してもよいが、すべては同じ基本振動共鳴周波数である（すなわち、ｆＬ１＝ｆＬ２＝・・・＝ｆＬ（Ｎ―１）＝ｆＬＮ）。しかしながら、エネルギーハーベスターが、広帯域の振動周波数からパワーを生成するように構成されている上述した実施形態において、上述したエネルギーハーベスター３００は、それぞれ異なる基本共鳴周波数を有する複数の第１機械共鳴構造３０２を含む。他の実施形態において、共鳴周波数の多くの異なる組みあわせが可能であることは当業者の知るところである。
【００４５】
外部環境から第１機械共鳴構造３０２に結合された機械的振動は、第１機械共鳴構造３０２に、図３において水平矢印３０６で表すような横方向の振動を生じさせる。これらの機械的振動がひとつ以上の第１機械共鳴構造３０２にその共鳴モードでの振動を生じさせる場合、第１および第２の機械共鳴構造３０２、３０４の相対的な空間位置は、共鳴している第１機械共鳴構造３０２の最大変位（図３において左方向に向かう）を第２機械共鳴構造３０４と機械的に結合または係合させ、第２機械共鳴構造３０４に矢印３０８で表すような横方向振動を生じさせるように構成される。
【００４６】
第２機械共鳴構造３０４は、第１機械共鳴構造３０２の任意およびすべての共鳴周波数より実質的に大きい基本振動共鳴周波数を有するように構成されている。結果的に、第１機械共鳴構造３０２の振動を、第２機械共鳴構造３０４に結合することは、第１機械共鳴構造３０２の比較的低い基本共鳴周波数を、第２機械共鳴構造３０４の比較的高い基本共鳴周波数にアップコンバートする効果を有する。第２機械共鳴構造３０４は、第２機械共鳴構造３０４の振動から電気的パワーを生成するように構成されたひとつ以上の電気機械的トランスデューサコンポーネントを有する。
【００４７】
ひとつ以上の外部振動周波数に対応するひとつ以上の基本振動共鳴周波数を有するように、ひとつ以上の第１機械共鳴構造３０２を構成することにより、外部振動から第１機械共鳴構造３０２の運動エネルギーに変換する効率は増加する。付加的に、比較的低い基本共鳴周波数を、第２機械共鳴構造３０４の比較的高い基本共鳴周波数にアップコンバートすることにより、運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率も増加する。
【００４８】
図４は、蜂により生成される機械的振動の測定周波数範囲をほぼ包含する、約２００、３００、および、４００Ｈｚのそれぞれ異なる振動共鳴周波数ｆＬ１、ｆＬ２、および、ｆＬ３を有する３つの第１機械共鳴構造４０２、４０４、４０６を有するエネルギーハーベスター４００の実施形態のブロック図である。
【００４９】
図５に示す代替的実施形態において、３つの第１機械共鳴構造５０２、５０４、５０６は、結合バネ５０８によって互いに結合されている。それは、第１機械共鳴構造５０２、５０４、５０６の集合、ひいては、エネルギーハーベスターの全体の周波数応答範囲を広くする効果を有する。
【００５０】
図６は、より単純な構成の図４の実施形態のエネルギーハーベスター４００を示し、それは、３つの第１機械共鳴構造（ここで、低周波数共鳴高構造または共鳴器とも呼ぶ）６０２、６０４、６０６の各々が、試験質量６０８の両側で対向する一対のサーペンタインバネ６１０によって基板上（図示せず）で吊り下げられた浮遊試験質量６０８の形式をとる。よって各サーペンタインバネ６１０の一端は、対応する試験質量６０８に取り付けられ、一方サーペンタインバネ６１０の反対端は、共鳴構造を基板にアンカーする対応するアンカーブロック６１２に取り付けられている。
【００５１】
図６および７の両方向矢印によって表されるように、各低周波機械共鳴構造の主要な振動モードは、試験質量６０８を基板上に支持する対応するサーペンタインバネ６１０の方向およびそれから離れる方向の試験質量６０８の振動である。この横振動モードにおいて、低周波共鳴器６０２、６０４、６０６は、それぞれ異なる基本共鳴周波数を有する。概して、この一般的形式の所与の共鳴器の基本共鳴周波数は、試験質量６０８に適当な質量を選択することによって、および、対応するサーペンタインバネ６１０の適切な構成およびこれらのコンポーネント６０８、６１０が作成されている材料を選択することによって、所望の周波数に調整可能である。図６に示す実施形態において、異なる基本共鳴周波数は、同じサーペンタインバネ構造を使用して、３つの低周波共鳴器６０２、６０４、６０６の試験質量６０８に対してそれぞれ異なる質量を選択することによって決定される。
【００５２】
図６、７、１０、１３、１４、１５および１６に示す実施形態において、各サーペンタインバネは長方形断面の細長い１０個の平行ビームの５回転によって形成される。これらの細長いビームの連続対の各々の隣接端部は、対応するショートジョイントビームによって相互に接続されている。当業者が理解するように、他の実施形態において他のバネ構成（例えば、異なる回転数を有する類似のバネを含む）もまた使用可能である。一般に、より多くの回転を加えることは、このバネの剛性を減少させ、したがって、対応する振動の基本周波数を低下させる。
【００５３】
図６を参照して、低周波共鳴器６０２、６０４、６０６の各々は、高周波共鳴構造８００の方向へ、その試験質量６０８を伸ばす一対のアーム６１４も有する。図８に詳細に示すように、第２または高周波共鳴構造８００は、試験質量８０２のそれぞれのコーナー付近に取り付けられた４本の細長い支持アーム８０４によって基板（図示せず）上に吊り下げられた浮遊試験質量８０２を有する。この構成により、高周波共鳴構造８００の主要振動モードは、低周波共鳴器６０２、６０４、６０６に平行で、かつ、細長い支持部材またはアーム８０４の長手軸に直角である横信号モードである。
【００５４】
これらの細長い支持部材またはアーム８０４は、高周波共鳴構造８００の試験質量８０２をその釣り合い位置に戻すためのバネとして作用する。低周波共鳴器６０２、６０４、６０６のサーペンタインバネ６１０に対して、支持アーム８０４の直線の細長い構成は、低周波共鳴構造６０２、６０４、６０６のサーペンタインバネ６１０より実質的に硬く、その結果、実質的により高い横信号基本共鳴周波数を有する高周波共鳴構造８００が生成される。以下に示す実施形態において、その基本共鳴周波数は、約３．５ｋＨｚまたは、低周波共鳴器６０２、６０４、６０６のものより大きいオーダーである。
【００５５】
機械電気的トランスデューサとして機能する高周波共鳴構造８００のために、横振動試験質量８０２の運動エネルギーは、各々が、相互に離隔された、かみ合いフィンガー電極のセットの形式の、当業者に周知の形状の４つの可変コンデンサ８０６によって電気エネルギーに変換される。
【００５６】
図６のエネルギーハーベスティング構造は、高アスペクト比のマスクまたは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハの深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を含む、当業者に周知の標準的なＭＥＭＳ製造方法を使って製造される。
【００５７】
ＤＲＩＥは、ここで説明する共鳴構造を形成するための好適なプロセス技術である。なぜなら、それは、非常に高アスペクト比構造を形成することが可能であるからである。以下で説明する実施形態において、ＳＯＩウエハの表面シリコン層の全厚を通じて伸長する、幅が２μｍで深さが２０μｍ（対応するアスペクト比が１０である）の深くかつ狭いトレンチを形成するのにＤＲＩＥが使用される。この厚さ構造は概して本願発明の実施形態の説明の文脈において好適に使用される。なぜなら、説明する構造の質量およびキャパシタンスは両方ともその厚さに比例し、これらのパラメータの増加は、エネルギーハーベスターによって生成される電気的エネルギーの対応する増加をもたらすからである。可変コンデンサとして厚いかみ合いフィンガー電極の使用は、検出キャパシタンスが、デバイスの寄生容量より非常に大きいことを保証する。
【００５８】
上述したエネルギーハーベスターの変換効率をさらに増加させるために、その物理的なフットプリントまたは容積は、質量およびキャパシタンスに対応する増加を与えるように増加可能である。付加的に、シリコンが比較的密度が小さいことを考慮すると、試験質量が最初にシリコンから製造されるところの実施形態において、増加する製造の複雑さを犠牲にしても全試験質量を増加させるために、より大きい密度材料の質量が取り付けられるか、または、シリコン試験質量上に堆積される。
【００５９】
一般に、ここで説明するような高アスペクト比の微小構造は、フットプリント面積および全体積の所与の寸法的制約のために、低周波共鳴器であるように容易に設計可能である。所与の共鳴構造の固有振動数または基本共鳴周波数は、その支持ビーム／バネの長さおよびその試験質量を増加（または減少）させることにより、増加（または減少）可能である。しかし、このような長さおよび質量の増加は、共鳴構造の、ひいては、装置全体のフットプリント面積および／または全容積を増加させる。結果として、エネルギーハーベスターを、できるだけ小さく（および／またはある状況においてできるだけ軽く）すること（ここで説明するような、エネルギーハーバスターが生きた昆虫に取り付けられるように構成される場合など）は、競争的価値がある。一方には小フットプリントおよび容積（および／または質量）を小さくすることの要求があり、他方には高パワー出力の要求があって、それらの間にトレードオフの関係が存在する。
【００６０】
このトレードオフを考慮して、小さい面積および容積（典型的には数ｍｍ２および数ｍｍ３）を占有した状態で、できるだけ高い出力を達成するために、以下で説明するエネルギーハーベスティングマイクロデバイスは、A. Ongkodjojo、およびF. E. H. Tayによる “Global Optimization and Design for Microelectromechanical Systems Devices Based on Simulated Annealing”と題する論文 Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 12, pp. 878 - 897, 2002 (“Ongkodjojo”)に記載されている最適化方法を使って設計された。
【００６１】
デザインおよび最適化
表１は、エネルギーハーベスターが取り付けられた蜂の物理的活動によって生成される機械的振動から電気的パワーを生成するためのエネルギーハーベスターの重要性能条件を要約したものである。概して、エネルギーハーベスターの設計は、その全体的アーキテクチャー、昆虫のボディ上でのエネルギーハーベスターの位置、エネルギーハーベスター全体のサイズ、ハーベスターの共鳴周波数と外部振動からの駆動周波数との間の対応、および、その質量、バネ（支持ビーム）、最大変位、および、低ダンピングファクタ（高品質ファクタ）との関連で共鳴器の機械的構造に依存する。
【００６２】
上述したように、各低周波共鳴器の固有振動数と、エネルギーハーベスターの全体サイズとの間の設計トレードオフのため、提案される構成は、デバイスのサイズ制約を満足しつつ、アプリケーションの要求を達成するべく最適化される。また、生成される変位とソース動作振幅との間の比は、０．１より大きくなければならない（P. D. Mitcheson、 T. C. Green、 E. M. Yeatman、および A. S. Holmesによる “Architectures for Vibration-Driven Micropower Generators”と題する論文 IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 3, pp. 429 - 440, 2004 (“Mitcheson”)参照）。
【００６３】
【表１】
0006588077.tif 000003
＊）振動からのパワー生成と同等量が、Mitchesonによって与えられる静電近似を使って測定した変位から計算された。
＋）共鳴周波数が振動ソースの駆動周波数と一致したとき、振動ベースの環境発電デバイスが最大エネルギーを生成する。もっとも通常の環境振動は、３００Ｈｚ以下であり、機械による振動ソースは約２．５ｋＨｚである（Mitchesonを参照）。
【００６４】
バネ剛性は、エネルギーハーベスターの重要な設計パラメータのひとつである。高周波共鳴器のバネ定数は、支持細長ビームの総数、ビームの構成、ビーム同士の直列または並列接続を考慮して、以下の式２によって与えられる。
【数２】
0006588077.tif 000004
ここで、Ｅ、ｈ、ｗｂおよびＩｂは、それぞれ、シリコン材料の弾性率（Ｐａ）、ビームの厚さ（ｍ）、ビーム幅（ｍ）、および、ビーム長（ｍ）を示す。
【００６５】
また、各低周波共鳴器のバネ定数は以下の式３によって与えられる。
【数３】
0006588077.tif 000005
ここで、Ｎｂは、単一のサーペンタインビームを形成するためのビーム総数である。サーペンタインビームは、可動プレート（試験質量６０８）の両端およびアンカー６１２に取り付けられている。このバネ定数は、式２の高周波共鳴バネのバネ定数より非常に小さく、より低い固有振動数を生じさせる。
【００６６】
特に、全デバイス面積（ひいては、試験質量６０８）に対する制約を考慮して、減少したバネ剛性は、より低い固有振動数を与え、それは、以下の式４で示すレイリーの方法を使って得られる。
【数４】
0006588077.tif 000006
ここで、ｍｐ、ｍｂおよびｍｉは、それぞれプレートの質量（ｋｇ）、ビームの質量（ｋｇ）およびトラスの質量（ｋｇ）である。
【００６７】
フリンジング電場効果を考慮し、印加電圧によって生成される静電力から生じる変位は、以下の式５によって略示される。
【数５】
0006588077.tif 000007
ここで、α、Ｎ、ε０、Ｖおよびｇｃは、それぞれ、フリンジング電場定数、共鳴器の可動部品に取り付けられた櫛形駆動フィンガーの総数、空気の誘電率（８．８５４×１０−１２Ｆ／ｍ）、印加電圧（ボルト）、および、櫛形駆動フィンガー間のギャップ（ｍ）を示す。
【００６８】
代替的に、最大線形変位は、マイクロ構造に印加された機械的力をバネ定数によって割り算することにより計算可能である。このシナリオにおいて、低周波共鳴器の最大変位は、その大きさおよび周波数に関して振動の外部ソースによって主に引き起こされる。高周波共鳴器の最大変位は、低周波共鳴器によってその上に及ぼされる機械的力によって主に決定される。共鳴器の最大変位を制限するために、変位制限ストップ６２０が与えられる。
【００６９】
上述した式および一般的な装置構成に基づいて、高周波共鳴器８００、および、３つの低周波共鳴器６０２、６０４、６０６の設計パラメータは、共鳴器がシリコンから形成されていることを仮定して、Ongkodjojoに記載されているグローバルオプティマイゼーション法を使って最適化された。高周波共鳴器８００の生成された最適化設計パラメータは表２に要約されている。
【００７０】
表２は、周波数アップコンバータおよび自己調節メカニズムを使って、エネルギーハーベスティングアプリケーションのために、静電マイクロ電力ジェネレータを有する高周波機械共鳴器の設計および最適化結果を示す。最適化設計の主な目的は、（１）変位および出力パワーを最大化することにより印加電圧を増加すること、（２）床占有面積（フットプリント）または装置面積を有意に減少させること、（３）低周波範囲内の固有振動数を減少させること、（４）デバイスのキャパシタンスを増加させるべく多くの数の櫛形駆動フィンガーを与えることである。
【表２−１】
0006588077.tif 000008
【表２−２】
0006588077.tif 000009
【表２−３】
0006588077.tif 000010
【表２−４】
0006588077.tif 000011
【表２−５】
0006588077.tif 000012
【表２−６】
0006588077.tif 000013
＊）キャビティは、品質係数または振動の減衰を改善するべく真空にすることが可能である。
【００７１】
それぞれの共鳴周波数に調整された、３つの低周波共鳴器の最適化された設計パラメータが表３に要約されている。
【００７２】
表３は、環境低周波振動内の特定のそれぞれ調節された共鳴周波数を与えるべく、それぞれのサーペンタインビーム構成を有する低周波マイクロ共鳴器（マイクロアクチュエータ）の設計および最適化結果を示す。
【表３−１】
0006588077.tif 000014
【表３−２】
0006588077.tif 000015
【表３−３】
0006588077.tif 000016
【表３−４】
0006588077.tif 000017
【表３−５】
0006588077.tif 000018
【表３−６】
0006588077.tif 000019
【表３−７】
0006588077.tif 000020
【表３−８】
0006588077.tif 000021
【表３−９】
0006588077.tif 000022
【表３−１０】
0006588077.tif 000023
＊）キャビティは、品質係数または振動の減衰を改善するべく真空にすることが可能である。
【００７３】
上で与えられた最適化設計パラメータを使って、最適化されたエネルギーハーベスターが製造可能となる。上述したように、ハーベスターは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハから最も普通に製造されたものであり、当業者に周知の標準的なボッシュ法に基づく表面マイクロマシニングプロセスを使って、ＳＯＩウエハのシリコン層から共鳴器およびコンデンサを形成する。
【００７４】
図９は、エネルギーハーベスターを製造するためのプロセス中のＳＯＩウエハ９０２（付加的な表面堆積層を有する）の断面側面図を略示したものである。開始材料は、厚さ３５０μｍのシリコン基板またはウエハ９０８上に厚さ４μｍのＳｉＯ２層９０６が埋設され、その上に堆積された厚さ２０μｍのシリコンウエハ（デバイス層）９０４からなるＳＯＩウエハ９０２である。シリコン層９０４および下層のウエハ基板９０８は、両方とも＜１００＞の結晶方位を有し、０．００１〜０．００５Ω・ｃｍの範囲の抵抗率を有するｎ型シリコンである。図９Ａに示すように、洗浄後に、標準的なフォトリソグラフィーを使って、フォトレジスト９１０のパターンレイヤーをシリコンウエハ９０４上に形成する。所望の実施形態において、フォトレジスト９１０のレイヤーは、後続のエッチングプロセスの間に下層シリコン層９０４を保護するために、少なくとも〜１．５μｍの厚さを有する。
【００７５】
表２および３に示す最適化設計パラメータがシリコン層の厚さ４０μｍを含むので、パラメータは、製造されたエネルギーハーベスティングアセンブリにおいて２０μｍより薄いシリコン層の使用を考慮するよう正しく調節された。図１０は、最適化パラメータを使って設計されたクロムフォトマスクの画像である。このフォトマスクは、フォトレジストレイヤー９１０をパターン化するのに使用され、それはその後上述した共鳴器およびコンデンサを形成するためにシリコン層９０４の選択領域のエッチングを可能にするエッチングマスクとして使用される。
【００７６】
図９Ｂに示すように、シリコン層９０４の露出した領域を下層酸化物層９０６までエッチングするために、深掘り反応性イオンエッチングプロセス（ＤＲＩＥ）が使用される。生成された微細加工構造（すなわち、試験質量６０８、８０２および対応するバネ）は、下層酸化物９０６の対応する部分をＨＦ（フッ酸）で除去することによって部分的にリリースされ、図９Ｃに示す構造が生成される。当業者が理解するように、試験質量６０８、８０２内に形成されたエッチングホールは、シリコン基板９０８から試験質量６０８、８０２をリリースするために、ＨＦエッチング液がシリコン層の下の酸化層まで容易にアクセスできるようにする。最後に、薄膜のエレクトレット材料（この場合、０．１μｍのＳＩＯ２層）９１４が、化学的気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）、熱成長、ＲＦスパッタリング、または、スピンコーティングなどの標準的なプロセスを使って、構造体上に形成される。所望の実施形態において、エレクトレット材料９１４はＳｉＯ２である。しかし、他の実施形態において、パリレン−Ｃおよび高性能パーフルオロ化ポリマーエレクトレットＣＹＴＯＰのような材料を含む他のエレクトレット材料がより良い電気的特性を与えるように代替的に使用可能であることは当業者の知るところである。
【００７７】
いずれの場合も、エレクトレット材料９１４は、静電的に充電される必要がある。所望の実施形態において、エレクトレット材料９１４は、Q. Fu および Y. Suzukiによる “MEMS Vibration Electret Energy Harvester with Combined Electrodes”と題する論文 IEEE Proc. MEMS 2014, San Francisco, USA, pp. 409 - 412に説明される軟Ｘ線充電プロセスを使って充電される。しかし、他の実施形態において、例えばコロナ充電を含む代替的な充電方法が使用可能であることは当業者の知るところである。
【００７８】
図１１は、高周波共鳴器８００の可変コンデンサ８０６の４セットの一つを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図１２は、可変コンデンサ８０６のかみ合いフィンガー電極の間隔を示す拡大した走査電子顕微鏡写真である。この実施形態において、各突起フィンガー電極の幅は、９．９６μｍであり、受設チャネルの幅は１４．２μｍであると測定され、その結果、それぞれの間のギャップは、ほんの２μｍのワイド幅しかない。他の実施形態（図示せず）において、各突起フィンガー電極の幅は、ほんの２μｍのワイド幅であり、対応する６μｍのワイド幅の受設チャネルのエッジまで、各側面において同じ２μｍのワイド幅のギャップを有する。
【００７９】
試験質量８０２の面内横振動は、各電極ペアの間のオーバーラップの度合いを増減し、それに応じて、それらの間のキャパシタンスを増減する。図８に示すように、それは、試験質量８０２に取り付けられた櫛形駆動フィンガー８０６と、高周波共鳴構造８００の固定部品８１０に取り付けられた櫛形駆動フィンガー８０６との間のキャパシタンスに対応する。
【００８０】
可変コンデンサが高周波共鳴器８００の一体コンポーネントであるため、可変コンデンサに電圧を印加し、かつ、高周波共鳴器８００の生成される横振動を測定することによって、高周波共鳴器を逆に動作させることが可能である。したがって、ＤＣオフセットの無くピーク電圧が２１ＶのＡＣ正弦波電圧が図１１に示す高周波共鳴器の可変コンデンサに印加され、生成された横振動は、SUSS MicroTec PM 5 プローブ装置を使って捕捉されかつ解析された。高周波横共鳴構造８００は、純粋なＡＣ電圧駆動のため、１．９７６ｋＨｚの固有振動数の半分に等しい９７４ｋＨｚの印加ＡＣ信号周波数で基本共鳴することが測定された（W. C-K. Tang,による“Electrostatic comb-drive for resonant sensor and actuator applications”と題する論文 Ph.D Thesis University of California, Berkeley, 1990 (“Tang”)に記載されているように）。
【００８１】
表４は、生成された測定共鳴周波数および解析仮定モデルを要約したものであり、実験と解析結果とがよく一致していることが示している。
【００８２】
解析結果に基づいて、高周波共鳴器８００の固有振動数は２．１４ｋＨｚである。固有振動数は、印加電圧が存在しない状態での共鳴周波数である。しかし、共鳴周波数は、表３に示すように、印加電圧を増加させるにしたがい減少し、この効果はバネ軟化効果と当業者に呼ばれている。結果的に、測定した共鳴周波数は、常に、理論的な固有振動数より低い。
【００８３】
表４は、高周波共鳴器８００の共鳴周波数であり、解析モデルの結果と、実験結果とを示す。
【表４】
0006588077.tif 000024
*)高周波共鳴器８００の第１共鳴周波数は、Ｔａｎｇに記載された周波数２倍効果に従い、装置の固有振動数を２で割って計算された（fres = fn/2、 fn = 2.14 kHz）。印加電圧がないと、高周波共鳴器８００は１．９７６ｋＨｚの固有振動数を有し、印加ＡＣ駆動信号により、固有振動数の半分である９７４Ｈｚの他の共鳴周波数を有する（周波数２倍効果）。
【００８４】
３つの低周波共鳴器６０２、６０４、６０６に関して、その横振動の挙動は、例えばANSYS または COMSOL Multiphysics（商標）のような標準的な有限要素解析（ＦＥＡ）を使ってシミュレーション可能である。図１３は、第１の低周波共鳴器のメッシュモデルのコンピュータ生成画像であり、図１４、１５、および、１６は、COMSOL Multiphysics（商標）FEA ソフトウエアパッケージのモード解析（固有周波数または固有値解法）によって計算された、その３つの最低周波数共鳴における３つの共鳴器の挙動のシミュレーション結果を示す。図１３のメッシュモデルは、２０μｍの厚さの構造体に対して１５４，４３５個の四面体エレメント、ビームに対してより高いメッシュレベル（微細メッシュ）、その他に対しては通常のメッシュレベルを有する。
【００８５】
図１４に示す第１の低周波共鳴器の第１の３つの共鳴モードは、１５４，４３５個の四面体エレメントおよび８４，２３６個の三角形エレメントからなる３次元メッシュモデルを使って、それぞれ、３９１．７Ｈｚ、１，２８１．６Ｈｚ、１，４２７．６Ｈｚで生じる。
【００８６】
図１５に示す第２の低周波共鳴器の第１の３つの共鳴モードは、２０２，９７９個の四面体エレメントおよび１０８，８４６個の三角形エレメントからなる３次元メッシュモデルを使って、それぞれ、３０９．５Ｈｚ、１，０２５．８Ｈｚ、１，１２９．９Ｈｚで生じる。
【００８７】
最後に、図１６は、４５５，０８５個の四面体エレメントおよび１９７，９３５個の三角形エレメントからなるモデルを使って計算された、２３０．２Ｈｚの周波数での第３の低周波共鳴器の第１共鳴モードを示す。
【００８８】
表５は、上で解析的に説明したようなＦＥＡによって計算された、３つの共鳴構造の各々の固有振動数または最低共鳴周波数を要約したものであり、２つの異なる計算方法が各々の場合において５％以内の違いで良好に一致していることを示す。
【００８９】
表５は、３つの低周波横共鳴器の解析モデル結果とＦＥＡ結果との間で、共鳴周波数を比較したものである。
【表５】
0006588077.tif 000025
【００９０】
変位と印加電圧
図１７は、高周波共鳴器８００の横変位を、可変コンデンサに印加するＡＣ電圧の振幅の関数として示したグラフである。フリンジング電場効果およびバネ軟化効果を考慮して、９７４Ｈｚの測定共鳴横振動周波数において、横変位が測定されかつ解析的に計算されている。これらの条件のもとで、測定結果は、３２Ｖまでの印加電圧振幅から生成される９．８μｍまでの横変位を示している。
【００９１】
これらの変位は、支持ビーム８０４の長さの約１０％である、〜３μｍの変位までの印加電圧振幅に対して線形的な依存性を有する。図１７はまた、実験結果と解析結果との間に良好な一致が存在することも示している。しかし、いくつかの差異も存在する。解析結果と比較すると、特に高い印加電圧において、上述したバネ軟化効果（負バネ定数）により、測定結果の方がより高いことに気づく。実験結果と解析結果との差は、主に、これらのバネ軟化効果、所望の設計と製造された構造の実際の寸法との間の幾何学的不一致および測定精度によるものであると考えられる。
【００９２】
また、バネ軟化効果により、横変位は、高い共鳴周波数より、低い共鳴周波数における方がより大きくなる。図１８は、１．９７ｋＨｚ（図１７では９７４Ｈｚ）の第２共鳴モードである点を除いて、図１７に類似のグラフである。バネ軟化効果はより低い共鳴周波数に対して有意であるので、測定変位は、高周波横共鳴器の固有振動数とほぼ同じである、１．９７６ｋＨｚのより高い共鳴周波数で生成され、９７４Ｈｚのより低い共鳴周波数に対するものより全体的に正確である。
【００９３】
図１７および図１８を比較することによって明確に示されるように、高い共鳴周波数では、同じ印加電圧に対してより小さい横変位を生成する。図１８において、２．５μｍまでの横変位が３２Ｖまでの印加電圧振幅に対して測定され、〜１．３μｍまでの横変位に対して線形的な依存性を有する。
【００９４】
図１７および図１８に示すように、フリンジング電場効果およびバネ軟化効果が解析モデルに対して考慮されない場合、それらの間の差異は大きい。しかし、フリンジング電場効果が含まれる解析モデルの場合、その差異は実質的に減少する。また、フリンジング電場効果およびバネ軟化効果の両方が含まれる構造体の解析モデルの場合には、非常に優れた一致が得られる。
【００９５】
図１９は、上述した高周波マイクロ共鳴器８００よりも高い基本共鳴周波数を有し、その結果、より高い出力を与える第２の高周波マイクロ共鳴器１９００を示す。
【００９６】
図２０は、ＦＥＡによって計算されるよう、７４０，３８１個のドメインエレメント、３３２，５７６個の境界エレメント、および、１５３，０９０個のエッジエレメントからなる、３．５６ｋＨｚの共鳴周波数（第１モード）での第２高周波横共鳴器１９００のメッシュモデルを示す。より高い周波数モードは、１８．２ｋＨｚおよび２８．５ｋＨｚであると計算される。
【００９７】
推定出力パワー
ここで説明するエネルギーハーベスティングデバイスは、充電されたコンデンサプレートの間隔内での振動を対応させることによって、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。所与の時刻でのＭＥＭＳ可変コンデンサのキャパシタンスは、ハウジングに対する高周波共鳴器の試験質量の変位ｚ（ｔ）によって決定され、それは、入力振動信号ｙ（ｔ）によって間接的に生じる。生成された変位およびその固有振動数は、式（１）に従う静電近似に基づいて等価電力量を推定することで測定可能である。
【００９８】
上述した横共鳴器の測定結果および計算結果に基づいて、エネルギーハーベスター１９００の出力電力は３９ｎＷであると推定される（静電力による変位が９．８μｍ、共鳴周波数が９７４Ｈｚ（６．１１９８×１０３rad/sと等価）、３．３μｍのソース動作振幅、および、１．０４９×１０−８kgの試験質量を使用した）。最大パワーは約９９ｎＷであると推定される。推定出力パワーは、ソース振動振幅の関数であることに注意すべきである（式（１）参照）。ソース動作振幅が０．１μｍである場合、約１．２ｎＷの最大パワーが得られる。
【００９９】
また、固定された横寸法に対して（すなわち、所与のフォトマスクを使って）、出力パワーは、構造体の厚さ（垂直方向）または、そのアスペクト比に同等に依存する。例えば、上述した構造の横寸法を使用した場合、共鳴周波数が約２．９ｋＨｚ、高周波共鳴器の最大変位が２５μｍ、外部振動によるソース動作振幅が３．３μｍの場合、アスペクト比１００に対して最大出力パワーは約０．１５ｍＷであると推定される。したがって、このパワー推定は、さまざまなマイクロ構造が同じ横寸法を有すると仮定した場合、マイクロ構造のアスペクト比にも依存する。例えば、約４７μＷの出力パワーがアスペクト比２０に対して推定される。
【０１００】
最後に、図２１は、ここで説明するエネルギーハーベスティングアセンブリまたはデバイス用の典型的なアプリケーションを示すブロック図である。静電変換を使用するため、エネルギーハーベスティングデバイスの高周波共鳴器のコンデンサプレート上の電荷を維持するべくプリチャージ回路２１０２が使用される。外部の機械的振動に晒される際、低周波共鳴器は横振動モードに励起され、この振動エネルギーの一部が運動エネルギーに変換される。この運動エネルギーの一部が高周波共鳴器の横振動を駆動するべく、それを使用して効果的にアップコンバートされる。
【０１０１】
高周波共鳴器の静電変換エレメントは、高周波共鳴器の生成された運動エネルギーを、可変コンデンサのプレート間のオーバーラップを変化させることにより、電気エネルギーに変換する。エネルギーハーベスティングデバイスからの生成電気出力は、第１パワー調整回路に与えられ、それが電気的パワーを格納バッテリー２１０６に与えるか、または、ひとつ以上の電気的負荷２１０８に与える。後者は格納バッテリー２１０６によって付勢される場合、これは、以下の文献に記載される第２パワー調整回路２１１０を通じて実行される。E. O. TorresおよびG. A. Rincon-Moraによる “Electrostatic Energy Harvester and Li-Ion Charger Circuit for Micro-Scale Applications”と題する論文, Proc. 49th IEEE International Midwest Symposium on Circuits ad Systems, 2006 (MWSCAS’06), USA, pp. 65 - 69、 T. Pichonat、 C. Lethien、 D. Hourlier、 N. Tiercelin、 D. Troadec および P. A. Rollandによる “Towards the 3-D Microfabrication and Integration of a Complete Power Unit Used for Energy Autonomous Wireless System”と題する論文, ECS (Electrochemical Society) Transactions, Vol. 25, No. 35, pp. 11-21, 2010、および、A. Tabesh およびL. G. Frechetteによる “A Low-Power Stand-Alone Adaptive Circuit for Harvesting Energy From a Piezoelectric Micropower Generator”と題する論文, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 3, pp. 840 - 849,  2010.
【０１０２】
従来のエネルギーハーベスティング構造を比較すると、ここで説明するエネルギーハーベスティングデバイスおよび構造は、小さい物理的フットプリントおよび容積を有しているにも拘わらず、約４００Ｈｚ以下の振動周波数から比較的高い出力パワーを生成することができる。複数の低周波共鳴器が使用される場合、これらの共鳴器の基本共鳴周波数は、所望の振動周波数と一致するように調整可能である。
【０１０３】
最後に、本願発明の実施形態は、エネルギーハーベスティングの関係で説明されてきたが、機械的振動を測定または特徴づけるためのような他の目的で代替的に使用することも可能であることは当業者の知るところである。例えば、ここで説明した電気機械的トランスデューサは、（エネルギーソースを与えるのとは反対に）環境振動を代表する出力信号を生成するためのセンサとして使用することも可能である。
【実施例】
【０１０４】
上述したエネルギーハーベスティングアセンブリの実施例を示すために、図５に示す一般的形式のエネルギーハーベスティングアセンブリのウエハが上述したプロセスを使って製造された。図２２は、エネルギーハーベスティングアセンブリのひとつの走査電子顕微鏡画像であり、それぞれ異なる基本共鳴周波数を有し、連結バネ２２０８によって相互に結合された、３つの低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６を示している。３つの低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６の各々は、近くの高周波機械共鳴構造２２１２の方向に伸長する対応する対の駆動アーム２２１０を有する。エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の全体のフットプリントは、３．４ｍｍ×２．５ｍｍであり、共鳴構造の２２０２、２２０４、２２０６、２２１２の厚さは、〜２０μｍである。
【０１０５】
図２２の左上隅の組み込み画像２２１４は、第２低周波機械共鳴構造２２０４のサーペンタインバネのひとつの拡大図を示す。図２２の右上隅の組み込み画像２２１６は、高周波機械共鳴構造２２１２のかみ合いフィンガーまたは櫛形駆動フィンガーのセットのひとつの拡大図を示す。
【０１０６】
ウエハは個々のダイを与えるようにダイシングされ、それぞれは、対応するエネルギーハーベスティングアセンブリを有し、単一化された各ダイ２３０２は、図２３に示すように対応するセラミックパッケージ２３０４内にマウントされた。櫛形駆動フィンガー電極からセラミックパッケージ２３０４の対応するピンまでの電気的接続を作成するために、ワイヤボンディングが使用された。続いて、各パッケージ２３０４は、ほこりおよび他の汚染物質からエネルギーハーベスティングアセンブリを保護するためにシールされた。
【０１０７】
以下で説明する測定の主な目的は、エネルギーハーベスティングアセンブリの各共鳴器の基本周波数を決定すること、および、静電マイクロジェネレータとしてのエネルギーハーベスティングアセンブリの性能をテストすることである。ＭＥＭＳデバイスを振動動作に励起させるために、２つの方法（電気刺激および直接機械的刺激）が使用された。
【０１０８】
図２４に示すような一つの試験装置において、ストロボ画像を有するレーザー振動計および、ビルトイン信号生成器（Micro-System Analyzer社のPolytec MSA-400）２４０２が高周波共鳴構造２２１２の電極に印加された電気信号を生成するために、および、ストロボ光学画像によって高周波共鳴構造２２１２の生成された機械的挙動を測定するために、使用された。生成画像は、対応する周波数応答のボードプロットを生成するべく記録され、かつ、処理された。
【０１０９】
図２５に示すような他の試験装置において、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００が、振動ソースとして作用する電動シェイカー２５０２によって刺激可能なように、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００を含むセラミックパッケージ２３０４が電動シェイカー２５０２に結合されたスティンガーロッド上にマウントされた。電動シェイカー２５０２は、振動周波数および振幅を変化させることによって、生きた昆虫または蜂の振動特性を模倣するのに使用された。レーザー振動計２４０２は、３つの低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６および、高周波機械共鳴構造２２１２の各々の生成された機械的応答を画像化するのに使用された。生成された電気的パワーは、デジタルオシロスコープ２５０４を使って特徴付けられた。
【０１１０】
したがって、ＭＥＭＳデバイスを振動動作に励起させ、かつ、その生成された変位を特徴づけるために、図２４および図２５の電気的および機械的刺激試験装置において、レーザー振動計２４０２が使用された。駆動信号、ＬＥＤ（発光ダイオード）ストロボフラッシュおよび、レーザー振動計のカメラ露出が、測定中に同期された。ＭＥＭＳ構造の周期的動作は、ナノ秒ストロボ照明ソースを使って、時間的に停止された。また、短光パルスが、間隔あたりのストロボショット数によって決定される刺激信号に対する正確な位相角度において、測定デバイスの位置を記録することができる。言い換えれば、各ミクロ構造の全体の振動サイクルは、小さい位相角度増分だけそのパルスのタイミングをシフトすることによって測定され、周波数ドメインおよび時間ドメインのプロットが生成される。
【０１１１】
エネルギーハーベスティングアセンブリの性能を試験しかつ特徴づけるために、このパッケージされたエネルギーハーベスティングアセンブリは、A. Ongkodjojo Ong および F. E. H. Tayによる、 “Motion characterizations of lateral micromachined sensor based on stroboscopic measurements”と題する論文 IEEE Sensors Journal, Vol. 7, No. 2, pp. 163-171, February 2007に記載の方法を使って評価された。要するに、測定方法は以下のように要約できる。（１）図２４および図２５に示すようなエネルギーハーベスティングアセンブリ２２００とマイクロシステムアナライザー（ＭＳＡ−４００）２４０２との間の電気的接続を確立し、（２）測定セッティングおよびレンズキャリブレーション（測定モード、励起およびフラッシュ周波数、照明、コントラスト、デバイス駆動、および周波数範囲）を調節し、（３）画像記録および処理からなる測定を実行し、（４）画像処理およびコンピュータ処理からなる、パターンマッチング（サーチパターンおよび興味の領域）に基づいて評価処理を実行する。
【０１１２】
図２５に示すように、かみ合いフィンガー電極を横切ってバイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）を印加しながら、信号調整回路２５０６を直接通じて、各エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の電力出力が測定された。バイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）は、外部電源またはバッテリーから得られた。高周波機械共鳴構造２２１２の振動動作は、キャパシタンスの対応する変化（ｄＣｖ／ｄｔ）を生じさせ、その結果コンデンサプレート上の電荷（ｄＱ／ｄｔ）を生じさせ、信号調整回路２５０６および抵抗負荷を通じて流れる対応する電流Ｉ（ｔ）を生成する。電圧降下は、その後、デジタルオシロスコープ２５０４（またはマルチメータ）を使って負荷抵抗（ＲＬｏａｄ）を横切って測定される。
【０１１３】
Ａ．測定共鳴周波数
以下の表６は、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００に対する解析結果、ＦＥＡ結果、および、実験結果を要約したものである。表６は、また、２次元シミュレーション以外で、それらの結果の間には５％以内の良好な一致が存在することを示す。差異は、単純化されたモデル、ＦＥＭ＆ＦＥＡの限定されたシミュレーション精度、マイクロ製造プロセスのマイナー変数（特に、ＤＲＩＥエッチングプロセス中）、外部環境からの振動ノイズ、および、レーザー振動計２４０２の限定された測定精度の使用のおかげである。
【０１１４】
表６は、解析モデル、３次元（３Ｄ）有限要素モデル（ＦＥＭ）＆有限要素解析（ＦＥＡ）、および、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の３つの低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６および高周波機械共鳴構造２２１２の各々に対する実験結果によって決定される共鳴周波数を比較したものである。
【表６】
0006588077.tif 000026
（ａ）実験結果は、第１共鳴周波数に基づいて得られた。
（ｂ）測定共鳴周波数は、同じ設計、構成、材料および微細製造プロセスを有する６個のエネルギーハーベスティングアセンブリに対して６０回の測定を行ってその平均値に基づいたものである。測定不確実性は、Paulo A de Souza Jr および Gutemberg Hespanha Brasilによる “Assessing Uncertainties in a Simple and Cheap Experiment”と題する論文、 European Journal of Physics, 30 (2009), pp. 615 - 622 ("de Souza")に記載されたランダム測定技術および統計方法に基づいて１１．５５％である。
（ｃ）シミュレーション結果は、３Ｄシミュレーションの計算コストおよび複雑さのために、２次元（２Ｄ）有限要素モデル（ＦＥＭ）を使って得られた。
【０１１５】
図２６は、印加したＡＣおよびＤＣ駆動信号の周波数の関数として、高周波共鳴構造２２１２の最大変位を示すグラフであり、３．３ｋＨｚの周波数で急峻な共鳴を示している。周波数応答の小さい振幅は、低駆動電圧（ＶＡＣ＝ＶＤＣ＝５Ｖ）のためであり、より高い印加電圧は、それに応じたより大きい変位を生じさせる。測定精度は、振動周期あたりのストロボショット数、および、各画像からの高品質な変位結果を生成するのに使用されるパターンマッチング（画像処理）に依存する。振動周期あたりのストロボショット数を増加させることで位相ステップサイズが減少し、撮像画像の数および測定精度が増加する。これらの測定は、振動周期あたり１２０回のストロボショットおよび７ｋＨｚまでの帯域周波数を使って為された。しかし、グラフに示すように、小さい動作部品は特に分子動揺から生じる機械的ノイズに特に敏感であるので、ブラウン運動に起因する小規模の振動ノイズがまだ存在する。ノイズは環境からも生じ、エネルギーハーベスティングアセンブリは、このノイズを削減するために真空下でシールされる。
【０１１６】
表６は、同じ実験セットアップ、セッティング、および環境を使って、実験が異なるマイクロ製造エネルギーハーベスティングアセンブリに対して何度も行われたので、メインのエネルギーハーベスターの測定共鳴周波数が有効かつ正確であることを示している。６個の個々にマイクロ製造されたエネルギーハーベスティングアセンブリ２２００において、de Souzaに記載されたランダム測定技術および標準統計方法を使って、６０回の個別の測定がなされた。ランダム技術および統計標準方法に基づいて、メインエネルギーハーベスターの測定共鳴周波数は、平均が３．５ｋＨｚであり、標準偏差が０．３９であり、標準誤差が０．０５であり、２％の器具の不確実性を含む全不確実性が１１．５５％である。したがって、不確実性は、主に、上述した要因によって生じる。
【０１１７】
図２７は、表６に要約されたように、３つの低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６に対する有効性をさらに示す。図２７Ａは、３７５Ｈｚの第１共鳴周波数で生じる最大となる、第１の低周波機械共鳴構造２２０２の周波数スペクトルを示す。他に、４２５Ｈｚ、７００Ｈｚおよび７７５Ｈｚのそれぞれの周波数で比較的大きい共鳴周波数が生じている。スティンガーロッドが取り付けられた電動シェイカーが振動ソースとして作用する場合、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の全体が振動した。また、低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６の支持バネは、高周波共鳴構造２２１２の支持ビーム２２１８に比べ外部の振動により敏感である。なぜなら、前者は、特に、低い剛性で設計されており（小さいバネ定数）、より高い変位または振動を生じさせるためである。バネ軟化効果は、高周波共鳴構造２２１２に対してよりも、低周波共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６に対しての方がより有意である。グラフはまた、低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６が、低動作周波数範囲より高い周波数を有する外部振動に応答可能であることも示している。したがって、低周波機械共鳴構造２２０２、２２０４、２２０６に対する測定共鳴周波数は、図２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃに示すように、それぞれ３７５Ｈｚ、３２５Ｈｚおよび２２５Ｈｚである。
【０１１８】
Ｂ．測定出力パワー
エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００からの出力信号を整流するための信号調整回路（すなわち、電圧倍増整流器またはフルブリッジ整流器）に加え、電動シェイカーおよび互換アンプを使って、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の電気的出力パワーは、３００Ｈｚの低機械的シミュレーション周波数、および、信号生成器からの３．０ＶＰＰの駆動信号振幅に対して抵抗負荷を横切る電圧降下を測定することにより決定された。エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００に対して電気的バイアス電荷を与えるべく、ＤＣ電圧バイアスが櫛形駆動コンデンサプレートを横切って印加された。すべての出力パワー測定は、図２８Ｂに示すように、高い増加電圧レベル（シェイカーがＯＮであったとき）から、図２８Ａに示すように、初期の小さい出力レベル（シェイカーがＯＦＦであったとき）を減算することによって得られた。測定手法に基づいて、出力パワーがオームの法則によって決定された。
【０１１９】
上述した共鳴周波数の測定と同様に、上述したランダム測定技術および標準統計方法を使用し、かつ、同じ実験セットアップ、セッティングおよび環境で、出力パワーが６０回の個別の測定を行うことによって測定された。特に、測定は、３．０Ｖｐｐの正弦波信号の振幅を有する電動シェイカーの低周波（すなわち、３００Ｈｚ）で実行され、それは、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００へ振動を与えるためのシェイカーに接続されたパワーアンプを通じて信号生成器によって生成された。デジタルオシロスコープの最大有効数の測定（２５６）を使って取得した平均が、信号ノイズを最小化するためにすべての測定に対して採用された。
【０１２０】
上述した方法に基づいて、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の測定された出力パワーは、０．７０の標準偏差、０．０９の標準誤差、４％の装置不確定性を含む２２％の全不確定性を伴って、平均で〜２１ｍＷであった。不確定性は、マイクロ製造プロセスの変動、スティンガーロッドを有する電動シェイカーの安定性、信号ノイズ、周囲環境からの環境ノイズ、および、実験中のデジタルオシロスコープの観測精度を含む測定精度による、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００の製造装置間のマイナーな変化によって主に生じる。
【０１２１】
蜂または生きた昆虫の振動を模倣するために、電動シェイカーセットアップ２５０２を利用することにより、周波数の関数として実際のパワー生成が測定され、その結果データは、図３０に示されている。エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００が予想通りに動作することをさらに示すために、図３１、図３２には、それぞれ負荷抵抗および電圧バイアスの関数として出力パワーが示されている。
【０１２２】
図３０は、マイクロ製造されたエネルギーハーベスティングマイクロデバイスが、興味ある低周波範囲においてより高い出力パワーで、期待どおりに動作することを示している。高周波機械共鳴構造２２１２が表６および図２６に示すように〜３ｋＨｚの共鳴周波数で動作しても、より低い周波数範囲の刺激が実際にはより高い振動振幅を予想通り生成している。よって、出力パワー性能は、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００が、より低い振動周波数を〜３ｋＨｚのより高い共鳴周波数に変換する（すなわち、それは周波数アップコンバータとして作用する）ことを示している。言い換えれば、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００は、図３０に示すように出力パワーを強化するために、構造振動のより低い振幅を、高周波共鳴構造２２１２のより高い共鳴器周波数（すなわち、〜３ｋＨｚ）でより高い振幅に変換することができる。
【０１２３】
図３１は、より高い出力パワーがより低い負荷抵抗において生成されることを示す。エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００は、上述した測定セットアップ、測定セッティングおよび環境に対して、〜４．４Ｗの最大出力パワーを１．６Ωの負荷抵抗に与えることできる。実際に、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００は、１ｋΩの負荷抵抗に対して〜３．８５ｍＷの出力パワーを達成することが可能である。また、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００は、１００ｋΩの負荷抵抗に対して０．２μＷの出力パワーを達成することができる。より低い抵抗は実際には、電荷の導電通路をより大きく開き、その結果、より高い生成電流および出力パワーが生成される。図３２は、出力パワーが、予想どおり、電圧バイアスの増加によって増加することを示す。電荷の総数は同じキャパシタンスに対して電圧バイアスに比例するので、より高い電圧バイアスは、より大きな電荷ソースを与える。よって、実験測定結果に基づいて、ここで説明したエネルギーハーベスティングアセンブリ２２００は、電荷密度に応じて、同じ物理的な寸法の既存のエネルギーハーベスターよりも高い出力パワーを示す。
【０１２４】
最後に、エネルギーハーベスティングアセンブリ２２００が高い出力パワーを生成することができたことをさらに示すために、３００Ｈｚで動作する電動シェイカーによって刺激されたエネルギーハーベスティングアセンブリ２２００は、図３３に示すように、従来の赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）を付勢するのに満足に使用された。
【０１２５】
本願発明の思想から離れることなく。多くの修正が可能であることは当業者の知るところである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０１２６】
【非特許文献１】S. Meninger、 J. O. Mur-Miranda、 R. Amirtharajah、 A. P. Chandrakasan、および、 J. H. Langによる “Vibration-to-Electric Energy Conversion”と題する論文 IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, Vol. 9, No.1, February 2001, pp. 64 - 76
【非特許文献２】P. D. Mitcheson、 T. C. Green、 E. M. Yeatman、および、A. S. Holmesによる “Architectures for Vibration-Driven Micropower Generators”と題する論文 IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 3, pp. 429 - 440, 2004
【非特許文献３】A. Ongkodjojo、およびF. E. H. Tayによる “Global Optimization and Design for Microelectromechanical Systems Devices Based on Simulated Annealing”と題する論文 Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 12, pp. 878 - 897, 2002 (“Ongkodjojo”)
【非特許文献４】P. D. Mitcheson、 T. C. Green、 E. M. Yeatman、および A. S. Holmesによる “Architectures for Vibration-Driven Micropower Generators”と題する論文 IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 3, pp. 429 - 440, 2004 (“Mitcheson”)参照
【非特許文献５】Q. Fu およびY. Suzukiによる “MEMS Vibration Electret Energy Harvester with Combined Electrodes”と題する論文 IEEE Proc. MEMS 2014, San Francisco, USA, pp. 409 - 412
【非特許文献６】W. C-K. Tang,による“Electrostatic comb-drive for resonant sensor and actuator applications”と題する論文 Ph.D Thesis University of California, Berkeley, 1990 (“Tang”)
【非特許文献７】E. O. TorresおよびG. A. Rincon-Moraによる “Electrostatic Energy Harvester and Li-Ion Charger Circuit for Micro-Scale Applications”と題する論文, Proc. 49th IEEE International Midwest Symposium on Circuits ad Systems, 2006 (MWSCAS’06), USA, pp. 65 - 69、 T. Pichonat、 C. Lethien、 D. Hourlier、 N. Tiercelin、 D. Troadec および P. A. Rollandによる “Towards the 3-D Microfabrication and Integration of a Complete Power Unit Used for Energy Autonomous Wireless System”と題する論文, ECS (Electrochemical Society) Transactions, Vol. 25, No. 35, pp. 11-21, 2010
【非特許文献８】A. Tabesh および L. G. Frechetteによる “A Low-Power Stand-Alone Adaptive Circuit for Harvesting Energy From a Piezoelectric Micropower Generator”と題する論文, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 3, pp. 840 - 849,  2010
【非特許文献９】A. Ongkodjojo Ong および F. E. H. Tayによる、 “Motion characterizations of lateral micromachined sensor based on stroboscopic measurements”と題する論文 IEEE Sensors Journal, Vol. 7, No. 2, pp. 163-171, February 2007
【図１】
0006588077.tif 000027
【図２】
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【図３】
0006588077.tif 000029
【図４】
0006588077.tif 000030
【図５】
0006588077.tif 000031
【図６】
0006588077.tif 000032
【図７】
0006588077.tif 000033
【図８】
0006588077.tif 000034
【図９】
0006588077.tif 000035
【図１０】
0006588077.tif 000036
【図１１】
0006588077.tif 000037
【図１２】
0006588077.tif 000038
【図１３】
0006588077.tif 000039
【図１４】
0006588077.tif 000040
【図１５】
0006588077.tif 000041
【図１６】
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【図１７】
0006588077.tif 000043
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２８（ａ）】
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【図２８（ｂ）】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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