(57)【要約】【課題】集積回路技術と互換性がある完全に一体化した安価なマイクロ発電機を提供する。【解決手段】マイクロ発電機は、集積回路（ＩＣ）ウエハを含む。微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ウエハはＩＣウエハに接合され、使用中に移動するように配置されたマイクロ機械素子を含む。連係する複数の溝とともに複数の第１金属コイルが、ＩＣウエハ及び／又はＭＥＭＳウエハの一部として具現される。複数のマイクロ磁石が設けられ、各々は各溝と連合し、ＭＥＭＳウエハ又はＩＣウエハに蒸着、メッキ又は接合された磁石層から形成される。使用中に、マイクロ機械素子の移動により、コイルに電圧を発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路（ＩＣ）ウエハと、
前記ＩＣウエハに接合され、使用中に移動するように配置されたマイクロ機械素子を含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ウエハと、
前記ＩＣウエハ及び／又は前記ＭＥＭＳウエハの一部として具現される複数の第１金属コイルと、
前記ＩＣウエハ及び／又は前記ＭＥＭＳウエハに形成され前記第１コイルと連係する複数の溝と、
前記ＭＥＭＳウエハ及び／又は前記ＩＣウエハに蒸着又はメッキ又は接合された磁石層から形成される各溝と連係する複数のマイクロ磁石と、を含み、
使用中に前記マイクロ機械素子が移動するときに、電圧が前記第１コイルに誘導されるように、前記第１コイルに対して前記マイクロ磁石が前記溝の内部で移動するように配置されることを特徴とするマイクロ発電機。
【請求項２】
使用中に隣接するマイクロ磁石を隔離するために配置された隔離手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ発電機。
【請求項３】
それぞれＩＣ又はＭＥＭＳウエハの一部として具現され、使用中にマイクロ発電機によって電圧が誘導可能な複数の第１金属コイル、および該第１コイルと連係した複数の第２金属コイルと、
前記ＩＣ又は前記ＭＥＭＳウエハの一部として具現される磁性体とを含み、
前記コイルと前記磁性体は、使用に際し前記第１コイルに誘導された第１電圧が前記第２コイルに第２電圧を誘導し、該第２電圧が前記第１電圧より大きくなるように配置されていることを特徴とするマイクロ発電機用のマイクロトランス。
【請求項４】
請求項１に記載のマイクロ発電機又は請求項３に記載のマイクロトランスを含むことを特徴とするマイクロ発電システム。
【請求項５】
集積回路（ＩＣ）ウエハ及び／又は、使用中に移動するように配置されたマイクロ機械素子を含むＭＥＭＳウエハの一部として複数の第１金属コイルを形成する工程と、
前記ＩＣウエハ及び／又は前記ＭＥＭＳウエハにおいて前記第１コイルと連係する複数の溝を形成する工程と、
前記ＭＥＭＳウエハ及び／又は前記ＩＣウエハに磁性体の層を形成する工程と、
前記各溝とそれぞれ連係する複数のマイクロ磁石を磁性層から形成する工程と、
使用中に前記マイクロ機械素子が移動するときに、電圧が前記第１コイルに誘導されるように、前記金属コイルに対して前記マイクロ磁石が前記溝の内部で移動するマイクロ発電機ウエハの境界を画定するために、前記ＭＥＭＳウエハをＩＣウエハに接合する工程と、
個々のマイクロ発電機を形成するために、マイクロ発電機ウエハを賽の目状に切断する工程と、を含むことを特徴とするマイクロ発電機の製造方法。
【請求項６】
前記複数の第１金属コイルが前記ＩＣウエハに多層ＩＣプロセスによって形成されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ発電機の製造方法。
【請求項７】
前記溝が深反応性イオンエッチングによって形成されることを特徴とする請求項５又は６に記載のマイクロ発電機の製造方法。
【請求項８】
前記磁性体の層は、蒸着、メッキ又は接合によって形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のマイクロ発電機の製造方法。
【請求項９】
前記マイクロ磁石は、前記磁性層をエッチング又は成形することによって形成されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のマイクロ発電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部環境から有用な電力を発生するマイクロ発電機、及び、対応するマイクロ発電機製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
他のデバイスと通信する能力を必要とする多数の種類のデバイスが現在知られている。そのような通信デバイスを使用する多数のシステムが、ケーブルもワイヤも無しで通信を行うことができるように無線技術を用いている。
【０００３】
無線技術がより広範に行き渡るにつれ、センサや、インテリジェントノードや遠隔制御方式等の未来装置は、電力供給や通信目的のために無線技術に大きく依存するであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マイクロ機械システムは、そのようなシステムの小型化必要条件を満たす電力供給のために、バッテリーの代替手段を必要とする。しかしながら、これまでのところ、マイクロシステム向けに一体化される充分に小さな寸法の適当な電力供給の解決策は無かった。例えば、現在のシステムでは、伝統的な圧電性バルク素材が他の機械的な部材に接着又ははんだ付けされ、はんだ付け又ははんだ付けとワイヤ接合の組合せで電気的に接続されていると言ってもさしつかえない。
【０００５】
本発明は、この問題に着目し、集積回路技術と互換性がある完全に一体化した安価なマイクロ発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、
集積回路（ＩＣ）ウエハと、
使用中に移動するように配置されたマイクロ機械素子を含み、前記ＩＣウエハに接合された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ウエハと、
前記ＩＣウエハ及び／又は前記ＭＥＭＳウエハの一部として具現される複数の第１金属コイルと、
前記ＩＣウエハ及び／又は前記ＭＥＭＳウエハに形成され、前記第１コイルと連係する複数の溝と、
前記ＭＥＭＳウエハ及び／又は前記ＩＣウエハに蒸着又はメッキ又は接合された磁石層から形成され、前記各溝にそれぞれ連係する複数のマイクロ磁石と、
を含むマイクロ発電機を提供するものであり、
使用中に前記マイクロ機械素子が移動するときに、電圧が前記第１コイルに誘導されるように、前記第１コイルに対して前記マイクロ磁石が前記溝の内部で移動するように配置されることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、
集積回路（ＩＣ）ウエハ及び／又は使用中に移動するように配置されたマイクロ機械素子を含むＭＥＭＳウエハの一部として複数の第１金属コイルを形成する工程と、
前記ＩＣウエハ及び／又は前記ＭＥＭＳウエハにおいて前記第１コイルと連係する複数の溝を形成する工程と、
前記ＭＥＭＳウエハ及び／又は前記ＩＣウエハに磁性体の層を蒸着又はメッキ又は接合する工程と、
前記各溝と連係する複数のマイクロ磁石を形成するために、磁性層をエッチング又は縮小化する工程と、
使用中に前記マイクロ機械素子が移動するときに、電圧が前記第１コイルに誘導されるように前記金属コイルに対して前記マイクロ磁石が前記溝の内部で移動するマイクロ発電機ウエハの境界を画定するために前記ＭＥＭＳウエハを前記ＩＣウエハに接合する工程と、
個々のマイクロ発電機を形成するために前記マイクロ発電機ウエハを賽の目状に切断する工程とを含むことを特徴とするマイクロ発電機の製造方法を提供する。
【０００８】
さらに、本発明は、
それぞれＩＣ又はＭＥＭＳウエハの一部として具現され、使用中に第１電圧がマイクロ発電機により誘導可能な複数の第１金属コイル、および、該第１コイルと連係する複数の第２金属コイルと、
前記ＩＣ又は前記ＭＥＭＳウエハの一部として具現された磁性体とを含み、
使用中に前記第１コイルに誘導された第１電圧が、前記第２コイルに第１電圧より大きい第２電圧を誘導するように前記コイルと前記磁性体が配置されることを特徴とする、マイクロ発電機用のマイクロトランスを更に提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一例であるマイクロ発電機を示す。図２Ａ〜２Ｃは、図１に示すマイクロ発電機で取り得る異なったコイルと磁石の配置例を示す。図３Ａ及び３Ｂは、本発明によるトランスの一例を示す。
【００１０】
図１に示すように、本発明によるマイクロ発電機の一例は、集積回路（ＩＣ）チップ１と、そのチップ１内に設けられた複数の金属マイクロコイル２を含む。それらコイル２は、ＩＣチップ１の一部として具現され、直列に接続される。マイクロ発電機はまた、質量バネ系３ａ又は振動板（図示せず）等のエネルギーピックアップを含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）チップ３を有する。複数のマイクロ磁石４がＭＥＭＳチップ３に形成され、複数の溝５が、磁石４を収容するためにＩＣチップ１に形成される。コイル２に電流を誘導するために磁石４がコイル２の近傍で溝５の内部で移動できるように、コイル２と磁石４がＩＣチップ１の内部に配置される。図示した例では、磁石４は溝５を囲んでいる。ＭＥＭＳチップ３とＩＣチップ１は、図１に示される接合領域６で互いに接合される。接合パッド７は、ＩＣチップ１上に形成される。
【００１１】
図２Ａ〜２Ｃは、図１に示したものと別のコイル２と、磁石４と、溝５の配置を示す。図２Ａでは、磁石４に占有された溝５の両側で、空の溝５によって磁石４が隔離される。これは、寄生及びその他の損失を減少する一助となる。図２Ｂでは、コイル２の間の金属シールド８によって損失が減少される。図２Ｃでは、コイル２に隣接したＭＥＭＳチップ３に形成された更なる溝９によって損失が減少される。
【００１２】
図３Ａを参照すると、本発明によるマイクロトランスの例は、上記したマイクロ発電機と同じ形態を有する。磁石４が溝５の内部で移動できるように、溝５に収容された磁石４の一例が示されている。１組の一次コイル１０が磁石４を囲み、１組の二次コイル１１が一次コイル１０を囲んでいて、二次コイル１１は一次コイルより多くの巻回数を持っている。このようにしてマイクロ発電機で発生された電圧は、マイクロ発電機によって電力供給を受ける用途に必要なレベルに増大できる。図３Ｂは、図３Ａの例の別の配置を示している。この配置においても、１組の一次コイル１０と１組の２次コイル１１が設けられているが、両者は上下に互い違いに配置され、組み合わされる。一般に、一次コイル１０は、二次コイル１１より少ない巻回数（層）を持つが、一次及び二次コイルの実際の巻回数と相対比率は、特定用途と必要とされる変圧に依存する。本発明によれば、そのようなマイクロトランスは、マイクロ発電機と共に使用できる。損失を最小化するために、増大される電圧に非常に近接した場所にトランスを置くことができる。
【００１３】
好ましくは本発明のマイクロトランスと組み合わせた本発明のマイクロ発電機は、機械的振動もしくは他の動的な機械的負荷に曝される環境におけるシステムに使用できる。機械的負荷によって引き起こされる磁石４とコイル２の相対運動を利用することにより、マイクロ発電機は環境から電力を引き出す。図１に示す例が稼働中、エネルギーピックアップである質量バネ系３ａは外部からの機械的負荷の結果として移動し、それにより溝５内で磁石４の移動を引き起こし、コイル２に電流を誘導する。図３Ａ及びＢのトランスが使用されている場合、電流は一次コイル１０に誘導され、二次コイル１１によって増大される。
【００１４】
エネルギーピックアップ３ａは大きな感度を持ち、直列に接続したコイル２のそれぞれにおける発電のための大きな振幅と同じ位相の両方を確保する大きく硬い物体の如く移動する。
【００１５】
図１に示されるマイクロ発電機の例は、高度な多層ＩＣプロセスを用いてＩＣウエハ内にアルミニウム又は銅から直列に接続したコイル２をつくることによって製造される。その後、溝５が、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によりＩＣウエハ内に作られ、磁石４をコイル２の近傍で移動させることを可能にする。ＮｉＦｅ８１／１９等の磁性体の薄膜層が、例えばスパッタリング又は電気メッキでＭＥＭＳウエハに形成される。この磁性層が、マイクロ磁石４を形成するために、パターン形成されてエッチングまたは成形される。ＭＥＭＳウエハは、エネルギーピックアップを有する。その後、ＭＥＭＳウエハはＩＣウエハに接合され、その結果として得られるウエハは、図１に示すように、マイクロ発電機を形成するために賽の目状に切断される。
【００１６】
本発明は、エネルギーピックアップを最大化するために、エネルギーピックアップに慣性質量３ａや振動板等の「大きな」機械部材を使用するが、ＭＥＭＳとＩＣ技術を組み合わせる手法を用いることによりダイレベルでもやはり使用される。標準の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）又はバイポーラＣＭＯＳ（ＢｉＣＭＯＳ）ＩＣ技術がマイクロ発電システムの一部であるので、電力が供給されるデバイスにマイクロ発電機を組み合わせるのは簡単かつ低コストである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一例であるマイクロ発電機を示す。
【図２Ａ】図１に示すマイクロ発電機で採り得る異なったコイルと磁石の配置例を示す。
【図２Ｂ】図１に示すマイクロ発電機で採り得る異なったコイルと磁石の配置例を示す。
【図２Ｃ】図１に示すマイクロ発電機で採り得る異なったコイルと磁石の配置例を示す。
【図３Ａ】本発明によるトランスの一例を示す。
【図３Ｂ】本発明によるトランスの一例を示す。
【符号の説明】
【００１８】
１…集積回路（ＩＣ）チップ
２…マイクロコイル
３…微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）チップ
４…磁石
５…溝
６…接合領域
７…接合パッド
８…シールド
９…溝
１０…一次コイル
１１…二次コイル
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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