(57)【要約】      （修正有）【課題】基板上のマイクロ電気機械単極発電機及びその製造方法を提供する。【解決手段】マイクロ電気機械単極発電機は、それぞれ導電性接触子を有する、アキシアル回転子接触部及びラジアルエッジ部を有する第１の基板層１２５を含む。アキシアル接触ブラシ２１５及びラジアルエッジブラシ２２０がそれぞれ、第１の導電接触子及び第２の導電接触子に接続される。少なくとも１つの導電性ディスク１０５が、アキシアル回転子接触部と軸方向に一直線にされ、導電性ディスクの円周エッジは、ラジアルエッジ部１１５に近接する。アキシアル接触ブラシ２１５及びラジアルエッジブラシ２２０はそれぞれ、導電性ディスク１０５のアキシアル部及び円周エッジ部と電気接触を形成する。少なくとも１つの磁石２３０が導電性ディスク１０５から間隔がおかれて、導電性ディスク１０５の回転軸１２０と一直線にされる磁界を画成する。【選択図】      図２
2004166487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ電気機械単極発電機を基板に製造する方法であって、
アキシアル回転子接触部と、上記アキシアル回転子接触部と同軸であり上記アキシアル回転子接触部から半径方向に間隔がおかれたラジアルエッジ部と、を有する第１のセラミック基板層を設ける段階と、
上記アキシアル回転子接触部及び上記ラジアルエッジ部にそれぞれ近接する、電気的に絶縁された第１の導電接触子及び第２の導電接触子を、上記第１のセラミック基板層上に設ける段階と、
上記第１の導電接触子及び上記第２の導電接触子にそれぞれ接続されるアキシアル接触ブラシ及びラジアルエッジブラシを、上記第１のセラミック基板層上に設ける段階と、
上記アキシアル回転子接触部と軸方向において一直線にされ、その円周エッジが上記ラジアルエッジに近接して、それにより、上記アキシアル接触ブラシ及び上記ラジアルエッジブラシがそれぞれ導電性ディスクのアキシアル部及び円周エッジ部と電気接触するよう少なくとも１つの導電性ディスクを設ける段階と、
上記導電性ディスクの回転軸と一直線にされる磁界を画成するよう、上記導電性ディスクの対向する上面及び下面の少なくとも一方から間隔をおいて少なくとも１つの磁石を設ける段階と、を含む方法。
【請求項２】
基板におけるマイクロ電気機械単極発電機であって、
アキシアル回転子接触部と、上記アキシアル回転子接触部と同軸であり上記アキシアル回転子接触部から半径方向に間隔がおかれたラジアルエッジ部と、を有する第１の基板層と、
上記アキシアル回転子接触部及び上記ラジアルエッジ部にそれぞれ近接し、上記第１の基板上に形成される、電気的に絶縁された第１の導電接触子及び第２の導電接触子と、
上記第１の導電接触子及び上記第２の導電接触子にそれぞれ接続され、上記第１の基板上に形成されるアキシアル接触ブラシ及びラジアルエッジブラシと、
上記アキシアル回転子接触部と軸方向において一直線にされ、その円周エッジが上記ラジアルエッジに近接し、上記アキシアル接触ブラシ及び上記ラジアルエッジブラシがそれぞれ導電性ディスクのアキシアル部及び円周エッジ部と電気接触する、少なくとも１つの導電性ディスクと、
上記導電性ディスクの回転軸と一直線にされる磁界を画成するよう、上記導電性ディスクの対向する上面及び下面の少なくとも一方から間隔がおかれる少なくとも１つの電磁石と、を含むマイクロ電気機械単極発電機。
【請求項３】
上記電磁石を流れる電流を調節する手段を更に含み、
上記電流を調節することによって、上記磁界の強度が調節される請求項２記載のマイクロ電気機械単極発電機。
【請求項４】
上記基板は、セラミック基板であり、
上記導電性ディスクの軸受面を画成するよう上記第１のセラミック基板層上に少なくとも１つの第２のセラミック基板層を更に含む請求項２記載のマイクロ電気機械単極発電機。
【請求項５】
上記基板は、シリコン基板であり、
上記導電性ディスクの軸受面を画成するよう上記第１のシリコン層上に少なくとも１つの第２のシリコン基板層を更に含む請求項２記載のマイクロ電気機械単極発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、エネルギー蓄積の分野に係り、より具体的には、基板材料上に実装されるエネルギー蓄積装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
幾何学が縮小し、クロック速度が増加することによって、中央処理演算装置（ＣＰＵ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＰＳ）、及び、他の印刷回路基板素子の供給電圧がますます下がっている。これらの素子は、＋１．０Ｖ乃至２．０Ｖの範囲で動作可能であるが、動作周波数及び回路部品密集度が増加し続けているので動作電圧は更に下がる。低圧での効率のよい電力発生は問題となり得るが、厳しい電圧規制を有し、高レベルの電流を引込む現代の回路素子へ電力を供給する際に特に問題となる。
【０００３】
回路電圧降下は、現代の回路に厳しい電圧規制を与えることに対し障害となっている。特に、回路素子が電源から引込む電流が増加するにつれて、回路の両端の電圧降下は比例して降下する（Ｖｄｒｏｐ＝ＩＲ）。例えば、１．５Ｖの供給電圧が必要な素子が、２０ｍΩの回路抵抗を有する回路基板上に取り付けられると、回路の両端の電圧降下は、その素子によって引込まれる電流が２Ａである場合に、０．０４Ｖである。しかし、同一の素子の電流引込みが２０Ａに増加すると、回路の両端の電圧降下は、０．４Ｖに増加する。従って、回路素子の電力入力において利用可能となる電圧は、たった１．１Ｖとなり、これは、素子が適切に動作するのに必要な入力電圧より低い。
【０００４】
更に、線路インダクタンスも、回路の両端間の電流の流れに悪影響を及ぼし得る。特に、線路インダクタンスは、スルーレートを減少することによって回路のステップ応答及びインパルス応答に悪影響を及ぼすことが可能である。従って、回路素子が、電流の急激な増加を必要とする場合、電流がその要求されるレベルに到達するには、一般的に、時間（立ち上がり時間）が必要となり、その結果、要求される電圧レベルに到達するまで回路素子の電流が不足する。
【０００５】
回路におけるスルーレート及び電圧の降下を減少し、同時に依然として、回路素子に高値の電流を供給するには、回路設計者は、一般的に、印刷回路基板上にコンデンサを含む。動作時には、コンデンサは、回路素子が低から中くらいの電流を必要とするときは、回路素子のデューティサイクルの一部の間にエネルギーを蓄積する。次に、回路素子が高レベルの電流を必要とするときは、コンデンサに蓄積されたエネルギーを、電源によって供給される電流の補完として用いることが可能である。高電流が必要でなくなると、コンデンサは再充電することができる。上述した例を用いるに、コンデンサが、回路素子の２０Ａという要件の７０％を供給できる場合、電源からは、たった６Ａの電流が供給され、従って、回路の両端における電圧降下は、０．１２Ｖに減少する。従って、素子の電力入力における電圧は、１．３８Ｖである。これは、１．５Ｖの回路素子の動作上の許容範囲内にある。
【０００６】
重要なことは、コンデンサは、一般的に、コンデンサが適切なレベルの電流を供給するのに十分なエネルギーを蓄積することができるよう比較的高いキャパシタンス値を有することである。その結果、供給電圧を補うよう用いられるコンデンサは比較的大きくなる傾向がある。コンデンサと、高電流要件を有する回路素子との間のスルーレート及び電圧を最小限にするためには、コンデンサは、一般的に、回路素子の近くに位置付けられ、それにより、コンデンサと回路素子の間の回路抵抗及びインダクタンスを最小限にしている。しかし、大きいコンデンサを、印刷回路基板上の適切な場所に設置することはしばしば困難が伴う。特に、コンデンサは、回路基板の寸法を小さくする限界を制限してしまうことがある。更に、コンデンサは、回路基板の他の素子との接合を干渉してしまうことがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、基板におけるマイクロ電気機械単極発電機と、それを製造する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ電気機械単極発電機は、アキシアル回転子接触部と、アキシアル回転子接触部と同軸でありアキシアル回転子接触部から半径方向に間隔がおかれたラジアルエッジ部を有する第１の基板層を含む。回転子接触部及びラジアルエッジ部は、アキシアル回転子接触部とラジアルエッジ部にそれぞれ近接する、電気的に絶縁された第１の導電接触子及び第２の導電接触子を提供する。第１の基板層は更に、第１の導電接触子及び第２の導電接触子にそれぞれ接続されるアキシアル接触ブラシ及びラジアルエッジブラシを含む。
【０００９】
少なくとも１つの導電性ディスクが、アキシアル回転子接触部と軸方向において一直線にされ、導電性ディスクの円周エッジは、第１の基板層のラジアルエッジ部に近接する。従って、アキシアル接触ブラシ及びラジアルエッジブラシはそれぞれ、導電性ディスクのアキシアル部及び円周エッジ部と電気接触を形成する。マイクロ電気機械単極発電機は更に、導電性ディスクの回転軸と一直線にされる磁界を画成するよう導電性ディスクの対向する上面及び下面の少なくとも一方から間隔がおかれた少なくとも１つの磁石を含む。磁石は、電磁石及び永久磁石からなる群から選択されることが可能である。電磁石が含まれる場合、その電磁石を流れる電流を調節する手段が設けられることが可能である。電流を調節することによって、電界の強度を調節することができる。
【００１０】
基板は、マイクロ電気機械製造処理に適した任意の基板材料であることが可能であり、例えば、セラミック基板又は半導体基板が可能である。第２の基板層を第１の基板層上に設けて、導電性ディスクのための軸受面を画成することが可能である。第２のセラミック基板層上にシール層を置いて、導電性ディスクの円周上に連続的なシールを形成することが可能である。導電性ディスクの全体に亘って延在する蓋を、シール層上にかぶせ、第１の磁石をその蓋に取り付けてもよい。第３の基板層を、導電性ディスクとは反対側の第１の基板の表面に置いて、第２の磁石を支持することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板上に作られるマイクロ電気機械単極発電機（ＭＥＨＧ）に係る。特に、ＭＥＨＧは、様々な用途において、コンデンサの代わりに用いることのできるエネルギー蓄積装置である。例えば、ＭＥＨＧは、小型電流源として用いることが可能であり、それにより、ピーク電流要求時に電源の補完として一般的に用いられる大きいコンデンサの必要がなくなる。このようなコンデンサは、一般的に、集積回路（ＩＣ）パッケージに実装するには大きすぎ、０．１ｍＪ／ｍｍ３のオーダのエネルギー蓄積密度を有する。対照的に、ＭＥＨＧは、一般的に１０ｍＪ／ｍｍ３のオーダ、一部では、１  Ｊ／ｍｍ３のオーダのエネルギー蓄積密度を提供することができる。従って、本発明は、ＭＥＨＧを回路基板サブストレート又はＩＣパッケージに実装することを可能にすることによって、回路設計者に、自由度の追加のレベルを与える。この追加された自由度は、回路性能を向上し、ＭＥＨＧを用いなければ可能ではない回路密度を実現する。
【００１２】
図１に、例示的なＭＥＨＧを示す。ＭＥＨＧ１００は、中心部１１０とラジアルエッジ１１５を有する導電性ディスク（ディスク）１０５、又は、回転子を含む。ディスク１０５は、例えば、基板１２５内に形成されるアパーチャ１３０内において、基板面に近接して位置付け可能である。１つの構成では、ディスク１０５は、アクスル１２０が設けられて、それにより、ディスク１０５の中心軸１３５についての回転を容易にし、且つ、ディスク１０５を適切な動作位置に保つ。他の構成も与えられることが可能である。例えば、別の構成では、アパーチャ１３０は、ディスク１０５をアパーチャ１３０内に維持する低摩擦円周面１４０を有して構造化されることが可能である。更に別の構成では、ディスク１０５の中心軸１３５に穴を設けることが可能である。この穴は、軸受といった円筒構造と嵌め合い、それにより、ディスク１０５の動作位置を維持することが可能である。
【００１３】
図２を参照するに、回転可能な導電性ディスク１０５は、磁界に浸される。磁界は、一般的に、ディスク１０５の表面２１０に対し垂直である磁力線２０５によって示される。１つ以上の磁石２３０を、導電性ディスク１０５の上方及び／又は下方に設けて、磁界を発生することができる。磁石２３０は、永久磁石及び／又は電磁石を含むことが可能である。第１の接触ブラシ２１５は、ディスクの回転軸１３５に近接する中心部１１０付近において、ディスクに接触することができる。第１の接触ブラシ２１５から半径方向に間隔が置かれる第２の接触ブラシ２２０は、ディスク１０５のラジアルエッジ１１５に接触することができる。１つの構成では、１つの接触ブラシ（図示せず）が、アクスル１２０を接触するよう設けられることが可能である。追加の接触ブラシも設けることが可能である。例えば、接触ブラシは、円形パターン状に間隔が置かれて、ラジアルエッジ１１５上の複数の点に接触するようにされることも可能である。同様に、接触ブラシは、ディスク１０５の中心部１１０の付近で間隔が置かれ、中心部１１０に複数の点にて接触する、又は、アクスル１２０に複数の点にて接触することも可能にされる。
【００１４】
電圧が、ディスク１０５に電流が流れるようブラシ２１５及び２２０の両端に印加されると、磁力が、動く電荷に働く。次に、動く電荷は、ディスク１０５に力を働かせ、それにより、ディスク１０５が回転し、且つ、運動エネルギーが蓄積される。電圧源が、電気負荷に代えられると、回転ディスク１０５に蓄積される運動エネルギーは、電気を生成するために用いることが可能である。導電性ディスク１０５が磁界中で回転すると、起電力（ｅｍｆ）がディスク１０５内に誘発され、それにより、負荷の中を電流が流れる。
【００１５】
ＭＥＨＧ１０５によって生成される電圧（Ｖｔ）の量は、以下の式によって実質的に与えられる。
【００１６】
【数１】
2004166487.tif 000003
ただし、ωｍは、ディスクの角速度であり、Ｂは、モータに対し垂直な磁界の磁束密度であり、ｒ１は、ディスク１０５の中心と第１の接触ブラシ２１５との間のラジアル距離であり、ｒ２は、ディスク１０５の中心と第２の接触ブラシ２２０との間のラジアル距離である。更に、ＭＥＨＧのインピーダンス（Ｚ）は以下の式により与えられる。
【００１７】
【数２】
2004166487.tif 000004
また、等価キャパシタンス（Ｃ）は、
【００１８】
【数３】
2004166487.tif 000005
により与えられる。ただし、ｔは、回転子の厚さであり、ρは、回転子材料の質量密度である。更に、ＭＥＨＧ１０５を充電するための時定数（ｔ）は、
【００１９】
【数４】
2004166487.tif 000006
に比例する。従って、磁界の磁束密度を変えて、ＭＥＨＧ１０５の充電時間、出力電流、インピーダンス、及び、等価キャパシタンスを調節することができる。例えば、磁界の少なくとも一部を発生するために電磁石が設けられる場合、電磁石内の電流を調節して、磁束密度を調節することができる。特に、電磁石の導体を流れる電流を減少することは、磁束密度を減少し、電磁石の導体を流れる電流を増加することは、磁束密度を増加することができる。無数の素子を用いて電磁石の導体を流れる電流を変更することが可能である。例えば、増幅器回路、加速抵抗器、ポテンショメータ、可変抵抗器、又は、調節可能な出力電流又は電圧を有する任意の他の素子が挙げられる。
【００２０】
ＭＥＨＧ１００は、例えば、セラミック、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、ゲルマニウム、リン化インジウム、及び、マイクロ電気機械製造処理に適した任意の他の基板材料といった様々な基板上に作ることが可能である。図３Ａ乃至図３Ｄは、セラミック基板上にＭＥＨＧ１００を作る例示的な製造処理を示す。セラミック基板は、例えば、低温焼結セラミック（ＬＴＣＣ）材料といった任意の好適なセラミック基板材料から形成されることが可能である。１つのそのようなＬＴＣＣ材料は、デュポン社（14 NW Alexander Drive, Research Triangle Park, NC 27709）から市販されるグリーンテープ（Ｇｒｅｅｎ  Ｔａｐｅ）（商標）である。
【００２１】
図３Ａを参照するに、第１のセラミック基板層３０５を設ける。各セラミック基板層に用いられるセラミック基板材料は、製造処理にて用いられる前に予め調整されることが可能である。例えば、セラミック材料は、適切な温度で特定の時間の間焼成されるか、又は、特定の時間の間窒素ドライボックス内で放置されることが可能である。一般的に、予め調整するためのサイクルは、１２０°で２０−３０分、又は、窒素ドライボックス内で２４時間である。どちらの事前調整処理も、セラミック基板技術においてよく知られている。
【００２２】
第１のセラミック基板層（第１のセラミック層）３０５が予め調整されると、セラミック層を通して導電性を与えるよう、第１のセラミック層３０５に導電性ビア３４０が形成されることが可能である。セラミック基板に導電性ビアを形成するには多くの技術が利用可能である。例えば、ビアは、セラミック基板に穴を機械的にパンチ加工することにより、又は、セラミック基板に穴をレーザ切断することにより形成することが可能である。その穴は、例えば、従来の厚膜スクリーン印刷機又は押出しビア充填材といった導電材料で充填することが可能である。真空を、多孔石を介して第１のセラミック層に与えて、ビア充填を支援することも可能である。第１のセラミック層３０５に導電性ビア３４０が形成されると、導電材料は、適切な温度且つ適切な時間の間、ボックスオーブン内で乾燥されることが可能である。例えば、一般的な乾燥処理は、導電材料を有するセラミック基板を、１２０°で５分間焼成することである。
【００２３】
ビア内の導電性充填材が乾燥した後、第１の導電性回路トレース３３０と第２の導電性回路トレース３３５を設けることが可能である。回路トレース３３０及び３３５は、例えば、標準的なエマルジョン厚膜スクリーンである従来の厚膜スクリーン印刷機を用いて、第１のセラミック層３０５に被着することが可能である。１つの構成では、回路トレース３３０及び３５０は、第１のセラミック層３０５の両面に被着することが可能であり、このとき、第１の回路トレース３３０が、導電性ビア３４０と電気接触する。更に、第２の回路トレース３３５は、導電性ビア３４０と同軸状に延在することが可能である。しかしながら、当業者には周知であるように、無数の他の回路配置を設けることが可能である。ビア充填処理と同様に、回路トレースが第１のセラミック層３０５に付けられると、回路トレースは、適切な温度及び適切な時間の間ボックスオーブン内で乾燥されることが可能である。
【００２４】
後続のセラミック基板層は、適切な事前調整、及び、回路トレース及び／又はビア充填材の乾燥の後に、第１のセラミック層３０５にラミネートされることが可能である。特に、第２のセラミック基板層（第２のセラミック層）３１０は、第１のセラミック層３０５上に積み重ねることが可能である。第２のセラミック層３１０は、第１のセラミック層３０５の上面にある回路トレースを絶縁することが可能である。第２のセラミック層は、ビア３４１及び３４２を含むことが可能であり、これらのビアは、それぞれ、アキシアル接触ブラシ３５０と、少なくとも１つのラジアル接触ブラシ３５５を形成するよう材料が充填されることが可能である。これらのビアは、接触ブラシが、それぞれの回路トレース３３０及び３３５と電気接触するよう位置付けられることが可能である。１つの構成では、複数のラジアル接触ブラシ３５５又は連続的なラジアルエッジ接触ブラシが、アキシアル接触ブラシ３５０と同軸上に、且つ、アキシアル接触ブラシ３５０から均一な半径に配置され、それにより、導電性の対象物とブラシとの間の正味の接触抵抗を減少することができる。
【００２５】
接触ブラシは、接触ブラシに用いるのに適した任意の導電材料を含むことが可能である。例えば、カーボンナノコンポジット、又は、導電液体が挙げられる。接触ブラシが、カーボンナノコンポジットのような固形物である場合、接触ブラシは、従来の厚膜スクリーン印刷機を用いて、第２のセラミック層３１０内のビア内にスクリーン印刷されることが可能である。導電液体が接触ブラシとして使用される場合、強磁性特性を導電液体中に盛り込み、それにより、磁界が、ビア３４１及び３４２内の導電液体を含むことが可能にされる。１つの構成では、アキシアル接触ブラシ３５０は、ビア３４１の一部のみを充填し、それにより、ビアの上面は、第２の層３１０の上面より下に配置されることが可能である。従って、ビア３４１は、軸受としても機能することが可能となる。
【００２６】
第３のセラミック基板層（第３のセラミック層）３１５は、第２のセラミック層３１０の上方に積み重ねることが可能である。第３のセラミック層３１５は、ビア３４２の外径（ビア３４１から遠い方のビアの一部）と一直線となるラジアルエッジ３４３を有するアパーチャが組込まれることが可能である。第４のセラミック基板層（第４のセラミック層）３２０は、第１のセラミック層３０５の下側に積み重ねられ、第１のセラミック層３０５の底面にある回路トレースを絶縁することが可能である。最後に、第５のセラミック基板層（第５のセラミック層）３２５が第４のセラミック層３２０の下側に積み重ねることが可能である。第３のセラミック層と同様に、第５のセラミック層も、ビア３４２の外径と一直線にされる半径を有するアパーチャ３４５を含むことが可能である。
【００２７】
セラミック基板層が積み重ねられて、図３Ｂに示すような基板構造体が形成されると、構造体は、様々なラミネーション方法を用いてラミネートされることが可能である。１つの方法では、セラミック基板層は積み重ねられて、加熱されたプラテンを用いて油圧式に加圧されることが可能である。例えば、ユニアキシアルラミネート処理では、全てのセラミック基板層を、７０℃に加熱されたプレートを用いて、３，０００ｐｓｉで１０分間加圧する。セラミック基板層は、最初の５分経過後、１８０°回転されることが可能である。アイソタチックラミネート処理では、セラミック基板層は、プラスチック袋内で真空密閉され、加熱された水を用いて加圧される。時間、温度、及び、圧力は、ユニアキシアルラミネート処理で用いたものと同じであってよいが、５分経過後の回転は必要でない。一旦ラミネートされると、構造体は、キルン内において平らなタイル上にて焼成されることが可能である。例えば、セラミック基板層は、２００℃乃至５００℃の温度で１時間の間焼成されることが可能であり、８５０℃乃至８７５℃のピーク温度を、１５分間以上加えることが可能である。焼成処理の後、セラミック基板層に後焼成作業を行うことが可能である。
【００２８】
図３Ｃを参照するに、上面３６１及び反対側の下面３６２を有する導電ディスク（ディスク）３６０をＭＥＨＧ内に設け、運動エネルギーを蓄積するための回転子として用いることが可能である。１つの構成では、複数の導電ディスクを設けて、より大きいエネルギー蓄積容量を実現することが可能である。ディスク３６０は、下面３６２に軸方向に配置される中心接触子３６５と、少なくとも１つのラジアル接触子３７０を含むことが可能である。ラジアル接触子３７０も、下面３６２に配置されることが可能である。１つの構成では、ラジアル接触子３７０は、ディスク３６０の下部円周領域３７３に延在することが可能である。ディスク３６０は、中心接触子３６５がアキシアル接触ブラシ３５０と電気接触し、ラジアル接触子２７０がラジアルエッジ接触ブラシ３５５と電気接触するよう第２のセラミック基板３１０の上方に位置付けられることが可能である。従って、電圧が接触ブラシ３５０と３５５の間に印加されると、電流は、ディスク３６０の内側部３７２と円周部３７３の間に流れることが可能である。アパーチャ３４１のラジアル壁３５８は、ディスク３６０の中心接触子３６５の軸受面として機能することが可能である。或いは、ラジアル壁３５８と中心接触子３６５との間に軸受（図示せず）を設置することも可能である。軸受は、例えば、電磁気又は静電気軸受であることが可能である。
【００２９】
図３Ｄを参照するに、ディスク３６０の上方に蓋３７５を設け、その中でディスク３６０が回転可能となる、囲まれた領域３８０を設けることが可能である。囲まれた領域３８０内に入る埃及び他の汚染物質は、接触子３６５及び３７０と接触ブラシ３５０及び３５５との間の摩擦を増加し、ＭＥＨＧの効率を減少してしまう。そのような悪影響を減少するために、シール層３８５を、第３のセラミック層３１５と蓋３７５との間に設け、ディスク３６０の円周に沿っての連続的なシールを形成する。
【００３０】
１つ以上の磁石を、ディスク３６０の上方及び／又は下方に設け、ディスク３６０の回転軸１３５と一直線にされる磁界を与えることが可能である。例えば、磁石３９０が、ディスク３６０の上面３６１から間隔が置かれて、蓋３７５の底面に取り付けられることが可能である。磁石３９５は、ディスク３６０の下面３６２から間隔が設けられることが可能である。例えば、磁石は、第４のセラミック基板層３２０の下に、第５のセラミック基板層３２５のアパーチャ３４５内に設けることが可能である。磁石３９０及び３９５は、磁性材料から形成される磁石といった永久磁石であることが可能である。例えば、磁石３９０及び３９５は、フェライト、ネオジム、セラミック、及び／又は、磁界を発生させるために用いることのできる任意の他の材料から形成されることが可能である。
【００３１】
磁石３９０及び３９５は、非永久磁石でもよく、例えば、電磁石であることも可能である。１つの別の構成では、磁石は、永久磁石と非永久磁石の組合せであることが可能であり、例えば、１つ以上の磁性材料の層に隣接する電磁石であり得る。上述したように、電磁石によって発生される磁界の強度は、電磁石内の導体を流れる電流を変更することによって変えることが可能である。このことは、ＭＥＨＧの出力電流を変更するのにも有用であり、これも上述してある。
【００３２】
別の例示的な実施例では、ＭＥＨＧ１００は、ポリシリコンマイクロファブリケーション処理を用いて、例えば、シリコン基板といった半導体基板上に作ることが可能である。ポリシリコンマイクロファブリケーションは、マイクロ機械加工の技術においてよく知られている。１つのそのような処理は、デビッド・Ａ.・コエスタ（Ｋｏｅｓｔｅｒ）外による「ＭＵＭＰｓ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」（Ｒｅｖ．７．０，２００１）に開示される。例示的なポリシリコンマイクロファブリケーション処理を、図４Ａ乃至図４Ｈに示す。しかし、本発明は、本願に開示する処理に限定されるものではなく、他の半導体マイクロファブリケーション処理も用いることが可能である。
【００３３】
重要なことは、ＭＥＨＧ１００が、集積回路（ＩＣ）の基板上で作成され、組込み式の電流源を与えることを可能にすることである。従って、外部エネルギー蓄積コンデンサは必要でなくなる。例えば、現代のコンピュータシステムは一般的に、中央処理演算ユニット（ＣＰＵ）の直ぐ隣りにエネルギー蓄積コンデンサのバンクを含む。ＭＥＨＧを用いると、エネルギー蓄積容量は、ＣＰＵチップ自体に組付けることが可能となる。更に、ＭＥＨＧは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）又は任意の他のタイプの集積回路に実装されることが可能である。更に、かなりのエネルギー蓄積容量を必要とする他の回路も、１つのＩＣチップ上にコンパクトに作ることが可能となる。
【００３４】
図４Ａを参照するに、ＩＣ加工において一般的に用いられるシリコンウェーハである第１のシリコン基板層（第１のシリコン層）４０５を、ＭＥＨＧ構造４００の形成を開始するために設けることが可能である。第１のシリコン層４０５は、電気絶縁特性を有することが好適である。従って、第１のシリコン層４０５は、ドーピングが全くされない又はほんの軽くドーピングされて形成されることが可能である。或いは、電気絶縁層を、第１のシリコン層４０５上に塗布することも可能である。例えば、二酸化珪素の層を、第１のシリコン層４０５上に塗布することが可能である。導電層を基板上に被着し、その導電層から回路トレース４１０をエッチングすることが可能である。例えば、基板上に、ドーピングされたポリシリコン又はアルミニウムの導電層を被着することが可能である。導電層の被着の後、導電トレース４１０を、周知のリソグラフィ又はエッチング技術を用いて画成することが可能である。
【００３５】
回路トレースが形成された後、窒化珪素（ＳｉＮ）といった電気絶縁層４１５を、第１の基板及び回路トレース上に被着することが可能である。例えば、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）とアンモニア（ＮＨ３）の反応が関連する低圧化学的気相成長法（ＬＰＣＶＤ）を、絶縁層を被着する目的のために用いることが可能である。ＳｉＮ層の一般的な厚さは、約６００ｎｍである。
【００３６】
次に、内側ビア４２０と外側ビア４２５を、絶縁層４１５を貫通するよう形成することができ、これらのビアには、導電性の材料（例えば、アルミニウム）が充填されて、回路トレース４１０に所望の場所で電気接触する。次に、アキシアル接触ブラシ４３０を内側ビア４２０の上に、ラジアルエッジ接触ブラシ４３５を外側ビア４２５の上に被着して、それにより接触ブラシ４３０及び４３５が、それぞれのビア４２０及び４２５と電気的に連続するようにされる。従って、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している。２つのアキシアル接触ブラシ４３０と、２つのラジアルエッジ接触ブラシ４３５を図示しているが、追加のアキシアル接触ブラシ及びラジアルエッジ接触ブラシを設けることも可能である。更に、接触ブラシは、接触ブラシに使用するのに適した任意の導電材料を含むことが可能であり、例えば、カーボンナノコンポジットが挙げられ、これは、当業者には周知であるサーマルスプレー方法を用いて塗布されることが可能である。別の構成では、接触ブラシは、導電液体であることが可能である。
【００３７】
ポリシリコンからなる第１の構造層（ポリ１）４４０を、ＬＰＣＶＤを用いて絶縁層４１５上に被着することが可能である。次に、ポリ１層は、ラジアルアパーチャ４４５を形成するようエッチングされることが可能であり、それにより、接触ブラシ４３０及び４３５が露出される。別の構成では、アパーチャ４４５領域が、ポリ１層４４０を塗布する前にマスキングされることが可能であり、それにより、アパーチャ４４５領域における被着を阻止する。
【００３８】
図４Ｂを参照するに、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）又はフォスフォシリケート（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）ガラス（ＰＳＧ）である第１の犠牲層４５０を、前に塗布された層全面に亘って基板上に塗布することが可能である。第１の犠牲層４５０は、以下に説明するように処理の終わりにおいて除去される。犠牲層は、ＬＰＣＶＤによって回路に被着され、アニールされることが可能である。例えば、ＰＳＧが犠牲層として用いられる場合、犠牲層は、アルゴン中、１０５０℃でアニールすることが可能である。次に、第１の犠牲層４５０は、図４Ｃに示すように、第１の犠牲層の上部隆起部４６０に対し凹所となっているアパーチャ４４５内の平らな基部４５５を形成するよう、平坦化エッチバック処理を用いてアパーチャ４４５内にて平坦化されることが可能である。
【００３９】
図４Ｄを参照するに、導体を、アパーチャ４４５内に被着し、対向する上面４６６、下面４６７、内側領域４６８、及び、円周領域４６９を有する導電性ディスク（ディスク）４６５を形成することが可能である。更に、ディスク４６５は、アパーチャ４４５内に完全に含まれ、それにより、導電ディスク４６５に接触する材料は、犠牲層だけにすることが可能である。ディスク４６５の厚さは、第１の犠牲層４５０の厚さとエッチバックの量によって決められる。重要なことは、ＭＥＨＧの等価キャパシタンスは、ディスク４６５の厚さに比例することである。従って、ディスク４６５の厚さは、所望の等価キャパシタンスを達成するために選択することが可能である。更に、剛性といった機械的な特性も、ディスク４６５の厚さを選択する際に考慮に入れられるべきである。
【００４０】
次に、図４Ｅに示すように、第２アパーチャ４７０を形成するよう、ディスク４６５の内側領域４６８と第１の犠牲層を、ディスクの中心から下方にエッチングすることが可能であり、それにより、第２のシリコン基板層４１５が露出される。特に、第２のアパーチャ４７０は、対向するアキシアル接触ブラシ４３０と４３５間のラジアル距離に等しい又はラジアル距離より小さい半径を有する穴をディスク４６５に形成するような寸法にされることが可能である。更に、ＳｉＮ層４１５に接触する第１の犠牲層もエッチングされて、ＳｉＮ層４１５の領域４７３を、第２のアパーチャ４７０内において露出するようエッチングされることが可能である。周知のエッチング技術を用いることが可能である。例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマエッチング等が挙げられる。
【００４１】
例えば、ＳｉＯ２又はＰＳＧである第２の犠牲層４７５を、ディスク４６５の上面及び第２のアパーチャ４７０によって形成されるラジアル壁４８０全面に塗布することが可能である。重要なことは、ＳｉＮ層４１５の領域４７３は、第２の犠牲層４７５の塗布の際にはマスキングされて、第２の犠牲層４７５が領域４７３においてＳｉＮ層に接着することを阻止することである。或いは、続けてエッチング処理を行い、領域４７３から第２の犠牲層を取り除くことが可能である。
【００４２】
図４Ｆを参照するに、ＬＰＣＶＤを用いて、第２のポリシリコン層（ポリ２）４９０を、例えば、ディスク４６５を取り囲むポリ１層４４０である以前に塗布された層上に被着されることが可能であり、それにより、追加のシリコン構造を加える。特に、ポリ２層４９０は、第２のアパーチャ４７０も充填することが可能である。次に、座金状領域４８７をエッチングして、ディスク４６５の上方に位置付けられるポリ２層４９０の座金状領域を取り除くことができる。特に、座金状領域４８７の内径は、ディスク４６５の内径より大きくすることが可能である。従って、ポリ２層４９０をエッチングすることにより、第２のアパーチャ４７０内に、「Ｔ」型の断面を有する構造体４８５を残すことが可能となる。構造体４８５の上部４８８は、ディスク４６５の内側部４６８の上方に延在することが可能であり、それにより、犠牲層が取り除かれた後は、ディスク４６５の垂直方向の動作を制限する。更に、構造体４８５は、その周りをディスク４６５が回転可能である軸受として動作することが可能である。或いは、第２のアパーチャ４７０内に電磁気又は静電気軸受を設けることが可能である。
【００４３】
図４Ｇを参照するに、第１の犠牲層４５０及び第２の犠牲層４７５は、当業者には周知であるフッ化水素（ＨＦ）溶液で放出されることが可能である。例えば、ＭＥＨＧ構造体４００は、ＨＦ槽に浸漬することが可能である。ＨＦは、シリコン又はポリシリコンには作用しないが、ＳｉＯ２を迅速にエッチングする。特に、ＨＦは、被着されたＳｉＯ２を、ＳｉＮより約１００倍早くエッチングすることができる。犠牲層４５０及び４７５が放出されることによって、ディスク４６５が、アキシアル接触ブラシ４３０とラジアルエッジ接触ブラシ４３５上に乗り、電気接触することを可能にする。更に、犠牲層４５０及び４７５が放出されることによって、ディスク４６５がその軸について自由に回転することが可能となる。
【００４４】
図４Ｈに示すように、ディスク６４５の上方に、蓋４９５を設け、その中でディスク４７６が回転可能となる、囲まれた領域４９７を設けることが可能である。上述したように、囲まれた領域４９７内に入る埃及び他の汚染物質は、ＭＥＨＧの効率を減少してしまう。磁石４９９を、ディスク４６５の上方及び／又は下方に固定して、ディスク４６５の回転軸と一直線となる磁界を与えることが可能である。例えば、磁石は、蓋４９５の底面に、ディスク４６５の上面４６６から間隔が置かれて取り付けられることが可能である。更に、磁石は、ディスク４６５の下方において第１のシリコン基板の底面に、第３のシリコン基板層と共に取り付けられることが可能である。
【００４５】
上述したように、磁石４９９は、永久磁石、非永久磁石、又は、永久磁石及び非永久磁石の組合せであることが可能である。例えば、磁石は、電磁石と、１つ以上の磁性材料の層を含むことが可能である。電磁石により発生される磁界の強度は、電磁石の導体を流れる電流を変更することによって変えることが可能である。これは、ＭＥＨＧの出力電流を変更するのにも有用であり、このことは既に述べた。動作時に、アキシアル接触ブラシ４３０とラジアルエッジ接触ブラシ４３５の間に電圧が印加されると、ディスク４６５の内径４７２付近の領域とディスク４６５の円周領域４６９との間に電流が流れ、それにより、ディスクが回転する。このことも前述した。
【００４６】
図５に、回路素子５１０にパルス電流を供給するためにＭＥＨＧを用いることのできる例示的な回路５００を示す。回路素子５１０に加えて、回路は、電源５０５、少なくとも１つのＭＥＨＧ５１５、コントローラ５２０、及び、少なくとも１つの２方向スイッチ（スイッチ）５２５を含むことが可能である。電源５０５は、従来のＤＣ電源であり得る。例えば、電源は、電池、又は、変圧器、及び、整流器を含むことが可能である。スイッチは、ＭＥＨＧ５１５に接続される第１の端子と、電源５０５に接続される第２の端子と、回路素子５１０に接続される第３の端子を含むことが可能である。回路素子５１０は、入力電流を必要とする任意の回路素子であることが可能である。例えば、回路素子は、例えば、ＣＰＵ、ＤＳＰ、又は、任意の他のプロセッサといった集積回路（ＩＣ）であることが可能である。回路素子は更に、パルス電流デジタルアンテナ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、発光体、マイクロロボティックスデバイス、及び、入力電流を必要とする他の任意の出力素子といった出力素子であることが可能である。しかしながら、本発明は上述したような例に限定されるものではない。
【００４７】
ＭＥＨＧ５１５は、基板上のミニ素子又はマイクロ素子として製造されることが可能であるので、ＭＥＨＧは、回路基板又はＩＣパッケージに実装されることが可能であり、それにより、ＭＥＨＧ５１５を、超小型電子回路における電流源として用いることが可能となる。１つの構成では、回路素子５１０、コントローラ５２０、少なくとも１つのスイッチ５２５、及び、少なくとも１つのＭＥＨＧ５１５は、例えば、１つのウェーハといった１つの基板、又は、１つのＩＣパッケージ内の回路内に実装されることが可能である。特に、１つの基板は、コントローラ５２０、スイッチ５２５、ＭＥＨＧ５１５、及び、プロセッサを含むことが可能である。更に、複数のこれらの回路が、１つのＩＣパッケージ上に設けられることも可能である。
【００４８】
一部の回路では、ＭＥＨＧ５１５に関連付けられるエネルギー充電時間は、放電時間より長い場合がある。これは、特定負荷の瞬間的な電力要件を供給しなければならないことから電源を解放するという利点を有する。しかし、放電時間より長い充電時間を有する１つのＭＥＨＧ５１５は、特定の負荷５１０によって要求される特定の電流パルスレートを適切に供給することができない場合がある。これを補償するために、複数のＭＥＨＧ５１５を用いて、負荷５１０に電流パルスを供給し、それにより、回路が生成可能な電流パルスレートを増加することが可能となる。例えば、回路５００に、３つのＭＥＨＧ５１５を設けることが可能である。
【００４９】
コントローラ５２０は、スイッチ５２５の開成及び閉成を制御するよう設けられることが可能であり、それにより、電流要件をＭＥＨＧ５１５間で分配し、ＭＥＨＧ５１５の同期を維持する。１つの構成では、スイッチ５２５の閉成は、直列的に同期されることが可能であり、ここでは、複数のＭＥＨＧ５１５は、同時の電流パルスを生成するＭＥＨＧ５１５は２つとしてないように特定の順番で電流パルスを生成する。従って、複数のＭＥＨＧ５１５は、電源に対し、１つのＭＥＨＧ５１５が用いられるときよりも安定した負荷を与えることができる。別の構成では、ＭＥＨＧ５１５は同期されて、同時に電流パルスを生成することが可能であり、それにより、パルスで生成される電流量を増加する。
【００５０】
ＭＥＨＧ同期に追加して、コントローラ５２０は、アナログからデジタルへの変換、信号符号化、変調等の信号処理を行うことが可能である。例えば、コントローラ５２０は、入力信号を受信し、信号を符号化し、変調し、且つ、デジタル化し、更に、デジタル信号に対応する電流パルスをブロードキャストアンテナに送るための必要に応じてスイッチ５２５を作動させることができる。
【００５１】
本発明の好適な実施例を図示し且つ説明したが、本発明はそれらに制限されるものではないことは明らかである。多数の修正、変更、変形、置換、及び、等価物を、当業者は、本発明の技術思想及び範囲から逸脱することなく想到することが可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による例示的なマイクロ機械単極発電機を示す斜視図である。
【図２】本発明による例示的なマイクロ機械単極発電機を示す側面図である。
【図３Ａ】本発明によって、マイクロ電子機械単極発電機をセラミック基板上に作る例示的な方法を示す図である。
【図３Ｂ】本発明によって、マイクロ電子機械単極発電機をセラミック基板上に作る例示的な方法を示す図である。
【図３Ｃ】本発明によって、マイクロ電子機械単極発電機をセラミック基板上に作る例示的な方法を示す図である。
【図３Ｄ】本発明によって、セラミック基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ａ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｂ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｃ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｄ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｅ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｆ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｇ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図４Ｈ】本発明によって、半導体基板上にマイクロ電子機械単極発電機を作る例示的な方法を示す図である。
【図５】本発明によるマイクロ機械単極発電機を含む例示的な回路を示す図である。
【符号の説明】
１００  ＭＥＨＧ
１０５  ディスク
１１０  中心部
１１５  ラジアルエッジ
１２０  アクスル
１２５  基板
１３０  アパーチャ
１３５  中心軸
１４０  低摩擦円周面
２０５  磁力線
２１０  ディスクの表面
２１５  第１の接触ブラシ
２２０  第２の接触ブラシ
２３０  磁石
３０５  第１のセラミック基板層
３１０  第２のセラミック基板層
３１５  第３のセラミック基板層
３２０  第４のセラミック基板層
３２５  第５のセラミック基板層
３３０  第１の回路トレース
３３５  第２の回路トレース
３４０  導電性ビア
３４１、３４２  ビア
３４３  ラジアルエッジ
３４５  アパーチャ
３５０  アキシアル接触ブラシ
３５５  ラジアルエッジ接触ブラシ
３６０  ディスク
３６１  ディスクの上面
３６２  ディスクの下面
３６５  中心接触子
３７０  ラジアル接触子
３７２  ディスクの内側部
３７３  ディスクの外側部
３７５  蓋
３８０  囲まれた領域
３８５  シール層
４００  ＭＥＨＧ構造体
４０５  第１のポリシリコン基板層
４１０  回路トレース
４１５  電気絶縁層
４２０  内側ビア
４２５  外側ビア
４３０  アキシアル接触ブラシ
４３５  ラジアル接触ブラシ
４４０  第１の構造層
４４５  ラジアルアパーチャ
４５０  第１の犠牲層
４５５  基部
４６０  上部隆起部
４６６  上面
４６７  下面
４６８  内側領域
４６９  円周領域
４７０  第１のアパーチャ
４７３  ＳｉＮ層４１５の領域
４７５  第２の犠牲層
４８０  ラジアル壁
４８５  Ｔ字型構造体
４８７  座金状領域
４８８  構造体の上部
４９０  第２のポリシリコン基板層
４９５  蓋
４９７  蓋に囲まれた領域
４９９  磁石
５００  回路
５０５  電源
５１０  回路素子
５１５  ＭＥＨＧ
５２０  コントローラ
５２５  スイッチ
５１０  回路素子
【図１】
2004166487.tif 000007
【図２】
2004166487.tif 000008
【図３Ａ】
2004166487.tif 000009
【図３Ｂ】
2004166487.tif 000010
【図３Ｃ】
2004166487.tif 000011
【図３Ｄ】
2004166487.tif 000012
【図４Ａ】
2004166487.tif 000013
【図４Ｂ】
2004166487.tif 000014
【図４Ｃ】
2004166487.tif 000015
【図４Ｄ】
2004166487.tif 000016
【図４Ｅ】
2004166487.tif 000017
【図４Ｆ】
2004166487.tif 000018
【図４Ｇ】
2004166487.tif 000019
【図４Ｈ】
2004166487.tif 000020
【図５】
2004166487.tif 000021