(57)【要約】　　　（修正有）【課題】基板上に一体型に形成された単極発電機を含む小型の高電流源を提供する。【解決手段】電子回路はまた、例えば、単一の集積回路上に単極発電機を有しながら、該基板上に配されることが可能である。電子回路は単極発電機に接続可能であり、連続的な低電流入力から、パルス状の高電流出力を生成する。電子回路は、単極発電機が、電源及び荷重に代替的に接続するための、少なくとも一つの電気制御スイッチを有する。コントローラーは、コントロール信号を生成するために使用することができる。【選択図】　　　図１
2004140989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に一体的に形成された単極発電機；及び
前記基板上に配された電子回路；
で構成され、
連続的な低電流入力から、パルス状の高電流出力を生成するように、該電子回路は、該単極発電機に接続される；
ことを特徴とする小型のパルス状高電流源。
【請求項２】
前記単極発電機が、電流源及び荷重に代替的に接続するように、コントロール信号に反応する少なくとも一つの電気制御されたスイッチでさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載の電流源。
【請求項３】
前記コントロール信号を生成するようにコントローラーでさらに構成される請求項２に記載の電流源。
【請求項４】
前記荷重は、デューティーサイクルを有し；
前記コントローラーは、前記電気制御スイッチに、前記電流源が、前記荷重デューティーサイクルのオフ状態の間、前記単極発電機へ接続せしめ、かつ、前記単極発電機が、前記荷重デューティーサイクルのオフ状態の間、前記荷重へ接続せしむることを特徴とする請求項２に記載の電源源。
【請求項５】
前記基板を形成する材料は、セラミック及び半導体からなるグループより選ばれることを特徴とする請求項１に記載の電流源。
【請求項６】
前記単極発電機は、前記基板に形成された円形凹部及び該円形凹部内部に配された少なくとも一つの回転可能な導電性ディスクで構成されることを特徴とする請求項５に記載の電流源。
【請求項７】
前記単極発電機及び前記電子回路は、単一の集積回路上に形成されることを特徴とする請求項５に記載の電流源。
【請求項８】
前記基板は、低温コファイアーセラミックであることを特徴とする請求項１に記載の電流源。
【請求項９】
前記単極発電機は、磁場源で構成され、かつ、前記電子回路は、該磁場源により生成された磁場強度を選択的に制御するようにコントローラーで構成されることを特徴とする請求項１に記載の電流源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の配置物は、一般的にエネルギー貯蔵分野に関し、さらに特に、基盤材料に組み込まれたエネルギー貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
幾何学物の凝縮及びクロック速度増加は、一貫して、中央演算処理装置、デジタルシグナルプロセッサー、及びその他のプリント回路基盤装置に対する供給電力を低下させてきている。今日、これら装置は、＋１．０から＋２．０Ｖの範囲で制御可能であるが、制御電圧は、制御的なものとして、さらに減少するだろう。重要なことに、蓄電器は、十分なレベルの電流を供給するために十分なエネルギーを貯蔵するために、相対的に高い電気容量を有している。従って、補助的に電流を供給するために使用される蓄電器は、ほとんど大型化する傾向にある。蓄電器と高電流を必要とする回路装置との間のスルーレート及び電圧は、蓄電器と回路装置との間の回路の抵抗及びインダクタンスを最小にすべく、通常、回路装置の近傍に位置している。しかしながら、適切な位置にある印刷回路基板上に大型蓄電器が位置することは、挑戦的である。特に、蓄電器は、回路基板のサイズを減少することが可能な程度を限定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
補助的に電流を供給するために使用される蓄電器は、ほとんど大型化する傾向にある。さらに、蓄電器は、回路基板がその他の装置に適合することを妨害する可能性がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に一体的に形成された単極発電機を含む小型の高電流源に関する。さらに、この基板上に、電子回路が配されている。一つの配置において、単極発電機及び電子回路は、単一の集積回路上に形成可能である。この電子回路は、連続的な低電流入力によりパルス状の高電流出力を生み出すべく、単極発電機に結合されている。この電子回路は、単極発電機が電源や負荷に代替的に接続するためのコントロール信号に反応する少なくとも一つの電気制御スイッチを含む。コントローラーは、コントロール信号を発生するために使用することができる。さらに、負荷は、デューティーサイクルを有することが可能で、電気制御スイッチは、負荷のデューティーサイクルの一部分の間、単極発電機に電源を接続させることも可能であり、かつ、負荷に単極発電機を接続させることも可能である。
【０００５】
基板の材料は、セラミック及び／又は半導体であってもよい。例えば、基板は、低温コファイアーセラミックであってもよい。単極発電機は、基板に形成された円形凹部を有してもよく、少なくとも一つの導電性回転ディスクが、この円形凹部内部に配されている。また、この単極発電機は、電子回路において、磁場源及びコントローラーを含むことも可能であり、これは、この磁場源により生み出される磁場の強度を選択的に制御するためのものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、基材上に製造された小型電子機械的単極発電機（ＭＥＨＧ）に関する。特に、ＭＥＨＧは、種々の応用例における蓄電器に使用可能なエネルギー貯蔵装置である。例えば、ＭＥＨＧは、コンパクトな電源として使用することが可能で、これにより、極限状態での電流要求における電源供給を補完するために一般的に使用される大型の蓄電器が必要なくなる。このような蓄電器は、一般には、０．１　ｍＪ／ｍｍ３のオーダーのエネルギー記憶密度を有する集積回路（ＩＣ）パッケージに組み込まれるには大きすぎる。従って、本発明は、回路設計者に、回路基板あるいはＩＣパッケージにＭＥＨＧを組み込むことを許容することにより、追加的な柔軟性を付与する。この追加的な柔軟性は、回路特性及び回路密度の向上を可能とする。
【０００７】
【実施例】
典型的なＭＥＨＧを図１に示す。ＭＥＨＧ１００は、中央部分１１０及び円周端１１５を有する導電性ディスク１０５又はローターを含む。ディスク１０５は、基板表面近傍に配することが可能であり、例えば、基板１２５に形成されたアパチャー１３０内部に配することが可能である。一つの配置において、ディスク１０５は、ディスク１０５の中心軸１３５にて回転を容易にし、かつディスクを適正な制御位置に保持するために、アクセル１２０を供してもよい。例えば、その他の配置において、アパチャー１３０は、ディスク１０５をアパチャー１３０内に保持する低摩擦性周辺表面１４０を構築してもよい。さらにその他の配置において、ディスク１０５の中心軸１３５にホールを設けてもよい。このホールは、ベアリングなどの円柱構造全体に適合可能であり、ディスク１０５の制御位置を保つ。
【０００８】
図２を参照すると、回転可能な導電性ディスク１０５が、磁場ライン２０５にて示した、典型的にディスク１０５の表面２１０に対し垂直である磁場内部に存在している。磁場を発生するために、導電性ディスク１０５の上部及び／又は下部に一つ以上の磁石２３０を設けることが可能である。磁石２３０は、永久磁石及び／又は電磁石も含まれる。第一接触ブラシ２１５は、中央部分１１０近傍でディスクに接触することができ、ディスクの回転軸１３５近傍に存在している。第一接触ブラシ２１５とは半径方向の離れた場所に位置している第二接触ブラシ２２０は、ディスク１０５の円周端部１１５に接触することができる。一つの配置において、接触ブラシ（示していない）は、アクセル１２０に接触すべく設けられてもよい。追加的な接触ブラシを設けてもよい。例えば、円周端部１１５の複数地点にて接触すべく、接触ブラシを円形パターンにて分離してもよい。同様に、接触ブラシを、複数地点にて中央部分に接触すべく、あるいは、複数地点にてアクセル１２０に接触すべく、ディスク１０５の中央部分１１０近傍に設けてもよい。
【０００９】
二つの接触ブラシ２１５及び２２０にわたって電圧をかけ、ディスク１０５に電流が流れると、動作帯電に磁力が影響を及ぼす。この動作帯電は、次々にディスク１０５に応力を与え、これにより、ディスク１０５が回転し、かつ運動エネルギーが蓄積する。この電圧源が、電気的負荷に置き換えられると、回転するディスク１０５に蓄えられている運動エネルギーは、電力を発生するために使用することができる。導電性ディスク１０５は磁場内部を回転するので、起電力（ｅｍｆ）は、ディスク１０５内に誘導され、これにより、負荷に対して電流が生じる。
【００１０】
ＭＥＨＧ１０５によって発生する電流（Ｖｔ）は、およそ、式
【００１１】
【数１】
2004140989.tif 000003
にて与えられる。ここで、ωｍは、ディスクの角速度、Ｂは、モーターに垂直である磁場の粒子束密度、ｒ１は、ディスク１０５の中心と第一接触ブラシ２１５との半径方向における距離を、かつ、ｒ２は、ディスク１０５の中心と第二接触ブラシ２２０との半径方向における距離を表している。さらに、ＭＥＨＧのインピーダンス（Ｚ）は、式
【００１２】
【数２】
2004140989.tif 000004
にて、及び、等価なキャパシタンス（Ｃ）は、式
【００１３】
【数３】
2004140989.tif 000005
にて与えられる。ここで、ｔは、ローターの厚み、ｐは、ローター材料の質量密度を表している。さらに、ＭＥＨＧの変化に関する時定数（ｔ）は、式
【００１４】
【数４】
2004140989.tif 000006
なる比にて表される。したがって、磁場の粒子束密度は、ＭＥＨＧ１０５の電荷時間（ｃｈａｒｇｅ　ｔｉｍｅ）、出力電流、インピーダンス、及び等価なキャパシタンスを調節すべく改変可能である。例えば、電磁石は、少なくとも磁場の一部を生じるために設けられる場合、この電磁石における電流は、粒子束密度を調節するために調節可能である。特に、電磁石のコンダクターを介した電流を減弱することは、電磁的粒子束密度を減少することができ、電磁石のコンダクターを介した電流を増加することは、電磁的粒子束密度を増加することができる。数多くの装置では、電磁石のコンダクターを介した電流を変化するために使用することが可能であり、例えば、増幅回路、加減抵抗器、電位差計、改変可能な抵抗器、又は出力電流及び電圧の改変可能なその他の装置などがある。
【００１５】
ＭＥＨＧ１００は、種々の基板上に製造することが可能であり、例えば、セラミック、シリコン、砒化ガリウム、窒化ガリウム、ゲルマニウム、インジウムホスフィド、及び小型電気機械的製造工程に適したその他の基板材料などがある。図３Ａから３Ｄは、セラミック基板上にＭＥＨＧ１００を製造するための工程に関する例を示している。このセラミック基板は、いくつかの適したセラミック基板材料で製造することが可能であり、例えば、低温コファイアーセラミック（ＬＴＣＣ）などがある。ＬＴＣＣ材料の一つには、ＤｕＰｏｎｔ社製のＧｒｅｅｎ　Ｔａｐｅ（登録商標）、１４　ＮＷ　Ａｌｅｘａｎｄｅｒ　Ｄｒｉｖｅ、Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｒｉａｎｇｌｅ　Ｐａｒｋ、ＮＣ２７７０９などがある。
【００１６】
図３Ａを参照すると、第一セラミック基板層３０５が設けられている。セラミック基板層のそれぞれに使用されるこのセラミック基板材料は、組立工程に使用する前に前提条件を調節することが可能である。例えば、セラミック材料を、一定時間、適当な温度にて焼成することが可能であり、かつ、一定時間、窒素乾燥ボックスにて放置することも可能である。一般的な前提条件調節サイクルは、２０から３０分１２０度で行うか、あるいは、窒素乾燥ボックスにて２４時間行うかである。この両前提条件調節工程は、セラミック基板分野にて公知である。
【００１７】
一旦、第一セラミック基板層（第一セラミック層）３０５が前提条件の調節が行われると、導電性ビア３４０は、このセラミック層を介した電気的導電性を設けるべく、第一セラミック層３０５に形成される。例えば、セラミック基板に対し、機械的に穴を開けることにより、あるいは、レーザー切断により穴を開けることにより、バイアスを形成することが可能である。その後、この穴を、常套的な厚膜スクリーンプリンター及びフィラーによる押し出し加工などの方法により、導電性材料を埋め込むことが可能である。ビアフィリングを補助するための多孔性石を介した第一セラミック層に、真空操作を適用することが可能である。一旦、導電性ビア３４０が、第一セラミック層３０５に形成されると、導電性材料を、ボックスオーブンにて適切な温度、適切な時間にて乾燥することが可能である。例えば、一般的な乾燥工程は、１２０度５分間、導電性材料を有するセラミック基板を焼成することである。
【００１８】
ビアにおける導電性フィラーを乾燥した後、第一導電回路トレース３３０及び第二導電回路トレース３３５を設けることができる。この回路トレース３３０及び３３５は、常套的な厚膜スクリーンプリンター、例えば、標準的なエマルジョン厚膜スクリーンなど、を使って第一セラミック層３０５上に配することができる。一つの配置において、回路トレース３３０及び３３５は、導電性ビア３４０と電気的に接触している第一回路トレースを有した第一セラミック層３０５の反対側に配することが可能である。さらに、第二回路トレース３３５は、導電性ビア３４０の周りかつ中心的に拡大可能である。それにもかかわらず、当業者公知のように、多くのその他の回路配置を設けることも可能である。ビアフィリング工程と同様に、この回路トレースが第一セラミック層３０５に一旦適用されると、適切な温度及び適切な時間にてボックスオーブンにて乾燥することができる。
【００１９】
適切な前提条件調節抗体及び回路トレースの乾燥及び／又はビアフィラーの後、第一セラミック層３０５に対して、続くセラミック基板層を積層することが可能である。特に、第一セラミック層３０５上に、第二セラミック基板層（第二セラミック層）３１０をスタックすることが可能である。第二セラミック層３１０は、第一セラミック層３０５の上部の回路トレースを分離することが可能である。第二セラミック層はまた、軸接触ブラシ３５０及び少なくとも一つのラジアル接触ブラシ３５５をそれぞれ形成するために、材料で満たすことが可能なバイアス３４１及び３４２を含めることもできる。このバイアスは、接触ブラシがそれぞれの回路トレース３３０及び３３５に電気的な接触を形成するために、位置付けすることが可能である。一つの配置において、複数個のラジアル接触ブラシ３５５又は連続的なラジアル先端接触ブラシは、軸接触ブラシ３５０の中心及び単一な円周方向にて配置することが可能である。これは、導電性物質とブラシとの間のネットの接触耐性を軽減するためである。
【００２０】
接触ブラシは、接触ブラシの使用に適したいかなる導電性材料が含まれてもよく、例えば、カーボンナノ複合体又は導電性液体などがある。例えば、カーボンナノ複合体などの固体材料を接触ブラシに用いた場合、接触ブラシを、常套的な薄膜スクリーンプリンターを使用して、第二セラミック層３１０のバイアスにスクリーン印刷することが可能である。接触ブラシとして導電性液体を使用する場合、強磁性体特性をこの導電性液体に組み込みことが可能である。これは、バイアス３４１及び３４２内部の導電性液体が磁場を含むことを可能にするためである。一つの配置において、軸接触ブラシ３５０は、ビア３４１の一部に充填することが可能である。これは、ビアの上表面が、第二層３１０の上表面の下に配されるためである。したがって、ビア３４１は、ベアリングとしての機能を有することが可能となる。
【００２１】
第二セラミック層３１０の上部に、第三セラミック基板層（第三セラミック層）３１５をスタックすることが可能である。この第三セラミック層３１５は、バイアス３４２の外周半径に配置された円周先端３４３（ビア３４１から最も離れたビアの一部）を有したアパチャーを組み込むことが可能である。第一セラミック層３０５の底部上にある回路トレースを分離するために、第一セラミック層３０５の下部に、第四セラミック基板層（第四セラミック層）３２０をスタックすることが可能である。最後に、第四セラミック層３２０の下部に、第五セラミック基板層（第五セラミック層）３２５をスタックすることが可能である。第三セラミック層と同様に、第五セラミック層はまた、バイアス３４２の外周半径に配置された半径を有するアパチャー３４５を有することができる。
【００２２】
図３Ｂに示す種々の基板構造を形成するために、一旦セラミック基板層がスタックされると、この構造は種々の工程を使って積層することが可能である。一つの配置において、セラミック基板層をスタックし、かつ水圧を用いて熱された厚盤をプレスすることが可能である。例えば、単軸ラミネート法は、７０度に熱した鋼板を使って、３０００　ｐｓｉ、１０分間、セラミック基板にプレスする。平衡ラミネート法において、セラミック基板層は、プラスティック製バッグに真空包装され、熱水を使ってプレスされる。時間、温度、及び圧力は、単軸ラミネート法と同様であるが、５分後の回転は必要ない。一旦ラミネートされると、この構造は、窯の平坦なタイル上にて焼成される。例えば、セラミック基板層は、２００から５００度の温度で、１時間焼成され、その最高温度は、８５０から８７５度であり、この温度にて１５分以上適用可能である。焼成工程の後、焼成後の制御を行うことも可能である。
【００２３】
図３Ｃを参照すると、運動エネルギーを貯蔵するためのローターとして使用するため、ＭＥＨＧに、上部表面３６１及びその反対側の下部表面３６２を有する導電性ディスク（ディスク）３６０を設けることができる。一つの配置において、より大きなエネルギー貯蔵能力を達成するため、複数個の導電性ディスクを設けることができる。ディスク３６０は、下部表面３６２の軸方向に位置する中央接面３６５及び下部表面３６２上に位置する少なくとも一つの円周接面３７０を有してもよい。一つの配置において、円周接面３７０は、ディスク３６０の下部末端領域３７３周辺に延びていてもよい。ディスク３６０は、第二セラミック基板層３１０の上部に位置していてもよい。中央接面３６５が、軸接触ブラシ３５０と電気的な接触を形成するため、かつ、円周接面３７０が、ラジアル接触ブラシ３５５と電気的な接触を形成するためである。したがって、電流は、接触ブラシ３５０と３５５との間に電流を適用した場合、ディスク３６０の内部分３７２と末端領域３７３との間を流れる。アパチャー３４１の円周壁３５８は、ディスク３６０の中央接面３６５におけるベアリング表面として機能する。代替的に、ベアリング（示していない）は、円周壁３５８と中央接面３６５との間に導入可能である。ベアリングは例えば、電磁石又は静電性ベアリングとすることが可能である。
【００２４】
図３Ｄを参照すると、その内部でディスク３６０が回転可能である、密封領域３８０を供するため、ディスク３６０上部にリッド３７５を設けることが可能である。密封領域３８０に進入した塵及びその他の汚染物質は、ＭＥＨＧの効率を減弱する可能性のある、接面３６５及び３７０と、接触ブラシ３５０及び３５５との間の摩擦を増加させる可能性がある。汚染を減少させるため、第三セラミック層３１５とリッド３７５との間にシール層３８５を設けることが可能であり、これにより、ディスク３６０の周辺部分にて連続的なシールを形成する。
【００２５】
ディスク３６０の回転軸１３５に配置された磁場を供するため、ディスク３６０の上部及び／又は下部に一つ以上の磁石を固定することが可能である。例えば、ディスク３６１の上部表面から分離された、リッド３７５の底部に接触させることも可能である。また、ディスク３６０の下部表面３６２から離れて、磁石３９５を配することも可能である。例えば、第五セラミック基板層３２５のアパチャー３４５内部の第四セラミック基板層３２０の下部に磁石を設けてもよい。磁石３９０及び３９５は、磁性材料にて形成された磁石などの、永久磁石でもよい。例えば、磁石３９０及び３９５は、フェライト、ネオジウム、アルニコ、セラミック、及び／又は磁場形成のために使用されるその他の材料で作られていてもよい。
【００２６】
磁石３９０及び３９５はまた、非永久磁石、例えば、電磁石であってもよい。その他の例において、磁石は、永久磁石及び非永久磁石との組合せでもよく、例えば、電磁石が、一つ以上の磁性材料層に近接していてもよい。前述したように、電磁石により形成される磁場強度は、電磁石のコンダクターを介する電流の変化により変化し、これもまた先述したことであるが、ＭＥＨＧの出力電流を変化させるために有用である。
【００２７】
その他の具体例において、ＭＥＨＧ１００は、たとえば、ポリシリコン微細加工によりシリコン基板上などの、半導体基板上に形成することが可能である。ポリシリコン微細加工は、微細加工分野において公知である。このような加工法には、Ｄａｖｉｄ　Ａ．　Ｋｏｅｓｔｅｒら著の、ＭＵＭＰｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ（７．０版、２００１年）に開示されている。図４Ａから４Ｈには、ポリシリコン微細加工の例を示している。しかしながら、記すべきことは、本発明は、個々に開示した工程により限定されるものではなく、かつ、その他の半導体微細加工も使用可能である、ということである。
【００２８】
重要なことに、ＭＥＨＧ１００は、組み込まれた電流源を供するため、集積回路（ＩＣ）の基板上に製作可能である。これにより、外部エネルギー貯蔵蓄電池が必要なくなる。例えば、近代的なコンピューターシステムは、一般的に、ＣＰＵすぐ隣に、エネルギー貯蔵蓄電器の貯蔵庫を有している。ＭＥＨＧを使用すると、ＣＰＵチップの内部に、エネルギー貯蔵蓄電池を製作することができる。さらに、ＭＥＨＧは、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰｓ）又はその他のタイプの集積回路に組み込むことも可能である。さらに、エネルギー貯蔵許容量が実質的に必要なその他の回路を、単一のＩＣチップ上にコンパクトに製作することができる。
【００２９】
図４Ａを参照すると、ＭＥＨＧ構造４００の形成を開始するために、例えば、典型的にＩＣ製作に使用されるシリコンウエハーなどの、第一シリコン基板層（第一シリコン層）４０５を設ける。電気的な絶縁特性を有する第一シリコン層４０５が望ましい。したがって、第一シリコン層４０５は、ドーピングや若干のドーピングを有するよう形成する。代替的に、第一シリコン層４０５の上部に電気的絶縁層を設けることも可能である。例えば、第一シリコン層４０５の上部にシリコン酸化物層を適用することができる。回路トレース４１０をエッチ付けすることができる基板上に、導電層を配することも可能である。例えば、この基板上に、ドープされたポリシリコン又はアルミニウムなる導電層を配することができる。導電層を配した後、公知のリソグラフィー及びエッチング技術を使って、導電性トレース４１０を定義することができる。
【００３０】
回路トレースが形成された後、第一基板及び回路トレースの上部に、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）などの、電気絶縁層４１５を配することができる。例えば、絶縁層を配するために、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）及びアンモニア（ＮＨ３）との反応生成物を含む低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）を使用することができる。ＳｉＮ層の典型的な厚みは、およそ６００　ｎｍである。
【００３１】
絶縁層４１５を介して、内部バイアス４２０及び外部バイアス４２５を形成し、回路トレース４１０を電気的に接続するため、電気的導電性材料（例えばアルミ）を、所望の位置に充填することができる。その後、内部バイアス４２０上に軸接触ブラシ４３０を配することが可能であり、かつ、外部バイアス上４２５に円周先端接触ブラシ４３５を配することが可能である。これは、二つの接触ブラシ４３０及び４３５が、バイアス４２０及び４２５とそれぞれに、電気的な連続性を有することを可能にするためである。したがって、電気接触ブラシは、回路トレース４１０のそれぞれと、電気的に連続性を有する。図には、二つの軸接触ブラシ４３０及び二つの円周先端接触ブラシ４３５を示しているが、追加的な軸接触ブラシ及び円周先端接触ブラシを設けることもできる。さらに、接触ブラシは、例えば、カーボンナノ複合体など、接触ブラシの使用に適した導電性材料を含んでもよく、その適用には、当業者公知の、サーモスプレー法（ｔｈｅｒｍｏ　ｓｐｒａｙ　ｍｅｔｈｏｄ）を使用してもよい。その他のアレンジメントにおいて、接触ブラシは、導電性液体であってもよい。
【００３２】
ＬＰＣＶＤを使って、絶縁層４１５上に、ポリシリコン製の第一構造層（ポリ１）４４０を配することができる。その後、接触ブラシ４３０及び４３５を露出する円周アパチャー４４５を形成するために、ポリ１層をエッチングする。代替例において、ポリ１層４４０を適用する前に、アパチャー４４５領域をマスクしてもよく、これにより、アパチャー４４５領域に配することを阻止する。
【００３３】
図４Ｂを参照すると、既に適用した層の上の基板に対して、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は燐硅酸ガラス（ＰＳＧ）などの第一犠牲層を適用してもよい。後述するが、第一犠牲層４５０は、本工程の後、取り除かれる。犠牲層は、ＬＰＣＶＤにより配され、回路にアニールされる。例えば、ＰＳＧが犠牲層に使用される場合、アルゴンにて、１０５０度でアニールしてもよい。次に、第一犠牲層４５０は、平坦化エッチバック工程により、アパチャー４４５内部にて平坦化され、図４Ｃに示すように、第一犠牲層の上部海抜４６０よりも陥没しているフラットベース４５５を形成する。
【００３４】
図４Ｄを参照すると、その後、反対する上部表面４６６、底部表面４６７、内部領域４６８、及び末端領域４６９を有する導電性ディスク（ディスク）４６５を形成するために、アパチャー４４５内に、コンダクターを配してもよい。さらに、ディスク４６５は、導電性ディスク４６５と接触している材料が犠牲層のみとするために、アパチャー４４５内部にその全体が含まれてもよい。ディスク４６５の厚みは、第一犠牲層４５０の厚み及びエッチバック量により同定可能である。重要なことに、ＭＥＨＧの平衡キャパシタンスは、ディスク４６５の厚みの比である。したがって、ディスク４６５の厚みは、所望の平衡キャパシタンスを達成するために選ぶことができる。さらに、ディスク４６５の厚みを選択する際、強固性などの機械的特性を考慮すべきである。
【００３５】
図４Ｅに示したように、その後、第二シリコン基板そう４１５を露出するため、ディスク４６５の内部領域４６８を貫通し、ディスクの中央の下部の第一犠牲層を貫通する第二アパチャー４７０をエッチングしてもよい。特に、反対側の軸接触ブラシ４３０と４３５との円周距離よりも小さいか同等の半径を有するホールを形成するために、第二アパチャー４７０をディスク内に形成することができる。さらに、第二アパチャー４７０内部のＳｉＮ層４１５の領域４７３を曝露するため、ＳｉＮ層４１５と接している第一犠牲層をエッチングすることもできる。反応性イオンエッチング、プラズマエッチングなどの、公知のエッチング技術を使用することが可能である。
【００３６】
その後、ディスク４６５の上部表面上、及び第二アパチャー４７０により形成される円周壁４８０上に、ＳｉＯ２又はＰＳＧなどの第二犠牲層４７５を適用することができる。重要なことに、領域４７３のＳｉＮ層に、第二犠牲層４７５が接することを阻止するため、第二犠牲層４７５の適用の際、ＳｉＮ層４１５の領域４７３は、マスクされなければならない。代替的に、第二犠牲層を領域４７３から排除するために、次なるエッチング工程を行うことが可能である。
【００３７】
図４Ｆを参照すると、ＬＰＣＶＤを使って、ディスク４６５を取り巻くポリ１層などの、既に適用された層に対して、ポリシリコン製の第二層（ポリ２）４９０を配してもよい。これにより、追加的なシリコン構造を添加する。特に、ポリ２層４９０は、第二アパチャー４７０に充填することができる。その後、ディスク４６５上部に位置するポリ２層４９０のウォッシャー型領域部分を除去するために、ウォッシャー型領域４８７をエッチングしてもよい。したがって、ポリ２層４９０のエッチングは、構造４８５を残留し、第二アパチャー４７０内部にて、Ｔ型の切断面を有するようになる。構造４８５の上部部分４８８は、ディスク４６５の内部部分４６８へと伸び、これにより、一旦、犠牲層が除去されると、ディスク４６５の垂直方向への動きが制限される。さらに、構造４８５は、ディスク４６５が回転可能な周囲のベアリングとして機能する。代替的に、第二アパチャー４７０に、電磁石又は静電気ベアリングを設けてもよい。
【００３８】
図４Ｇを参照すると、当業者公知のフッ化水素（ＨＦ）溶液を使って、第一及び第二犠牲層４５０及び４７５が除去されている。例えば、ＭＥＨＧ構造４００を、ＨＦバスに浸漬することができる。ＨＦは、シリコン又はポリシリコンを攻撃しないが、ＳｉＯ２を急速にエッチングする。特に、ＨＦは、ＳｉＮによりも約１００倍以上早く配されたＳｉＯ２をエッチングすることができる。犠牲層４５０及び４７５の除去は、ディスク４６５に、軸及び円周先端接触ブラシ４３０及び４３５に電気的な接触を形成させることができるようになる。さらに、犠牲層４５０及び４７５の除去により、その軸にて自由に回転することが可能となる。
【００３９】
図４Ｈに示すように、ディスク４７５が回転可能な、密封領域４９７を供するため、ディスク４６５にリッド４９５を設けてもよい。上述したように、密封領域に侵入した塵やその他の汚染物質は、ＭＥＨＧの効率を減弱する可能性がある。ディスク４６５の回転軸に配向した磁場を供するため、ディスク４６５の上部及び／又は下部に磁石４９９を固定してもよい。例えば、ディスク４６５の上部表面４６６から分離して、磁石は、リッド４９５の下部に接してもよい。さらに、磁石は、ディスク４６５の下部の第一シリコン基板の底部に接してもよく、例えば、第三シリコン基板層でもよい。
【００４０】
上述したように、磁石４９９は、永久磁石、非永久磁石、又は永久磁石と非永久磁石との組合せでもよい。例えば、磁石は、電磁石及び一つ以上の磁性材料の層を含んでもよい。電磁石により形成される磁場の強度は、電磁石のコンダクターを介する電流を変化することにより改変可能であり、これも上述したが、ＭＥＨＧの出力電流を改変するために有用である。制御時、軸接触ブラシ４３０及び円周先端接触ブラシ４３５に適用する電流は、ディスク４６５の内部半径４７２の近傍領域と、ディスク４６５の末端領域４６９との間の電流を生じ、これにより、上述したように、ディスクが回転するようになる。
【００４１】
図５では、回路装置５１０に電流にパルスされた電流を供するためにＭＥＨＧが使用された例示的な回路５００が示されている。回度装置５１０に加えて、この回路は、電源５０５、少なくとも一つのＭＥＨＧ５１５、コントローラー５２０、及び少なくとも一つの２方向スイッチ（スイッチ）５２５を有している。電源５０５は、常套的なＤＣ電源でもよい。例えば、この電源は、バッテリー又は変圧器及び整流器を組み込んでもよい。スイッチは、ＭＥＨＧ５１５に接続された第一ターミナル、電源５０５に接続された第二ターミナル、及び回路装置５１０に接続された第三ターミナルを含んでもよい。回路装置５１０は、入力電流を必要とする回路装置であってもよい。例えば、この回路装置は、ＣＰＵ、ＤＳＰ、及びその他のプロセッサーなどの、集積回路（ＩＣ）であってもよい。この回路装置はまた、パルス化された電流デジタルアンテナ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）作動装置、発光体、小型ロボット装置、及び入力電流を必要とするその他の出力装置であってもよい。しかし、本発明は、これらの例に限定されない。
【００４２】
ＭＥＨＧ５１５は、基板上に、小型装置又は超小型装置として製造することができることから、ＭＥＨＧは回路基板又はＩＣパッケージに導入することが可能であり、これにより、ＭＥＨＧ５１５は、超小型電子回路の電流源として使用することが可能となる。一つのアレンジメントにおいて、回路装置５１０、コントローラー５２０、少なくとも一つのスイッチ５２５、及び少なくとも一つのＭＥＨＧ５１５は、例えば、単一ウエハー又は単一ＩＣパッケージなどの、単一の基板の回路上に導入可能である。特に、単一基板は、コントローラー５２０、スイッチ５２５、ＭＥＨＧ５１５、及びプロセッサーを行くんでもよい。さらに、複数個のこれら回路を、単一ＩＣパッケージ上に設けてもよい。
【００４３】
いくつかの回路において、ＭＥＨＧ５１５に関連するエネルギー充足時間は、放電時間よりも長くすることが可能であり、これは、特定の荷重における瞬間的な出力の必要性を提供するために有する電源供給を安心させる利点を有することができる。しかし、放電時間よりも長い充足時間を有する単一ＭＥＨＧ５１５は、特定の荷重５１０により必要とされる特定の電流パルス率を十分供給することが可能でないかもしれない。これを補填するために、荷重５１０に対する電流パルスを供給するために複数個のＭＥＨＧ５１５を用いることができ、これにより、回路を形成可能な電流パルス率を増加することになる。例えば、回路５００に、三つのＭＥＨＧ５１５を設けることも可能である。
【００４４】
スイッチ５２５の開閉を制御するため、コントローラー５２０を設けてもよく、これにより、ＭＥＨＧに対する電流要求を供し、ＭＥＨＧ５１５の同調性を確保する。一つのアレンジメントにおいて、多重的なＭＥＨＧ５１５特定の順序にて、電流パルスを生成し、二つのＭＥＨＧ５１５は、同時に電流パルスを生成していない場合において、スイッチ５２５の閉鎖を実質的に同調することができる。したがって、多重化ＭＥＨＧ５１５は、単一のＭＥＨＧ５１５を使用する場合よりもより安定に荷重に電源を供するために使用することができる。その他のアレンジメントにおいて、ＭＥＨＧ５１５は、電流パルスを同時に生成するために、同調可能であり、これにより、パルスを生成する電流量を増加することになる。
【００４５】
ＭＥＨＧ同調性に加えて、コントローラー５２０もまた、アナログからデジタルへの変換、信号エンコーディング、変調などの、信号プロセッシングを実行可能である。例えば、コントローラー５２０は、入力信号、エンコード信号、変調信号、及びデジタル化信号を受信可能であり、デジタル化信号に対応した電流パルスを放送アンテナに送信するために必要なスイッチ５２５を活性化することができる。
【００４６】
本発明に関する好適実施例を示し、述べてきてが、本発明を限定するものでないことは明らかである。数々の改変、変更、変法、置き換え、及び等価なものは、請求項に述べられた本発明の趣旨及び狙いから分離することなく、当業者にて発想されるであろう。
【００４７】
【発明の効果】
小型電子機械的単極発電機（ＭＥＨＧ）は、種々の応用例における蓄電器に使用可能なエネルギー貯蔵装置である。例えば、ＭＥＨＧは、コンパクトな電源として使用することが可能で、これにより、極限状態での電流要求における電源供給を補完するために一般的に使用される大型の蓄電器が必要なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における、典型的な小型機械的単極発電機の斜視図である。
【図２】本発明における、典型的な小型機械的単極発電機の側方図である。
【図３Ａ】本発明における、セラミック基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図３Ｂ】本発明における、セラミック基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図３Ｃ】本発明における、セラミック基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図３Ｄ】本発明における、セラミック基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ａ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｂ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｃ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｄ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｅ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｆ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｇ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図４Ｈ】本発明における、シリコン基板上に小型機械的単極発電機を製造するための典型的な工程の一部を示している。
【図５】本発明における、典型的な、回路を組み込んだ小型機械的単極発電機である。
【符号の説明】
１００　ＭＥＨＧ
１０５　導電性ディスク
１１０　中央部分
１１５　円柱端部
１２０　アクセル
１２５　基板
１３０　アパチャー
１３５　中心軸
１４０　低摩擦性周辺表面
２０５　磁界ライン
２１０　表面
２１５　第一接触ブラシ
２２０　第二接触ブラシ
２３０　磁石
３０５　第一セラミック基板層
３１０　第二セラミック基板層
３１５　第三セラミック基板層
３２０　第四セラミック基板層
３２５　第五セラミック基板層
３３０　第一導電回路トレース
３３５　第二導電回路トレース
３４０　導電性ビア
３４１　バイアス
３４２　バイアス
３４３　円周先端
３４５　アパチャー
３５０　軸接触ブラシ
３５５　ラジアル接触ブラシ
３５８　円周壁
３６０　ディスク
３６１　ディスク
３６２　下部表面
３６５　中央接面
３７０　円周接面
３７２　内部分
３７３　末端部分
３７５　リッド
３８０　密封領域
３８５　シール層
３９０　磁石
３９５　磁石
４００　ＭＥＨＧ構造
４０５　第一シリコン基板層
４１０　回路トレース
４１５　電気絶縁層
４２０　内部バイアス
４２５　外部バイアス
４３０　軸接触ブラシ
４３５　円周先端接触ブラシ
４４０　ポリシリコン製の第一構造層
４４５　アパチャー
４５０　第一犠牲層
４５５　フラットベース
４６５　導電性ディスク
４６６　上部表面
４６７　底部表面
４６８　内部領域
４６９　末端領域
４７０　第二アパチャー
４７３　領域
４７５　第二犠牲層
４８０　円周壁
４８５　構造
４８７　ウォッシャー型領域
４８８　上部部分
４９０　ポリシリコン製の第二層
４９５　リッド
４９７　密封領域
４９９　磁石
５０５　電源
５１０　回路装置
５１５　ＭＥＨＧ
５２０　コントローラー
５２５　スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５】
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