(57)【要約】【課題】製造時の断線の発生を抑制可能であり且つ発電出力の向上を図ることが可能な発電デバイスを提供する。【解決手段】発電デバイス１は、デバイス基板１０の一表面上に形成された第１導電層２２のうちカンチレバー部１２に重なる第１電極２２ａと、圧電材料層２３のうち第１電極２２ａに重なる部分からなる圧電体層２３ａと、第２導電層２４のうち圧電体層２３ａに重なる第２電極２４ａとで、発電部２０を構成する。第２導電層２４のうちデバイス基板１０の厚み方向において支持部１１に重なる部分の一部からなる第２パッド２４ｃと、第２導電層２４のうち第２電極２４ａと第２パッド２４ｃとを繋いでいる部分からなる第２配線２４ｂとを備える。第２導電層２４と圧電材料層２３との接触領域を規定する絶縁層２５の一部が、デバイス基板１０の厚み方向において第２パッド２４ｃと圧電材料層２３との間に介在している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部、および前記カンチレバー部における前記支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の一表面上に形成された第１導電層と、前記第１導電層における前記デバイス基板側とは反対側に形成された圧電材料層と、前記圧電材料層における前記第１導電層側とは反対側に形成された第２導電層とを備え、前記第１導電層のうち前記カンチレバー部に重なる部分からなる第１電極、前記圧電材料層のうち前記第１電極に重なる部分からなる圧電体層、および前記第２導電層のうち前記圧電体層に重なる部分からなる第２電極により構成される発電部と、前記第１導電層のうち前記支持部上に形成され前記圧電材料層と前記第２導電層とが積層されていない部分の一部からなる第１パッドと、前記第１導電層のうち前記第１電極と前記第１パッドとを繋いでいる部分からなる第１配線と、前記第２導電層のうち前記デバイス基板の厚み方向において前記支持部に重なる部分の一部からなる第２パッドと、前記第２導電層のうち前記第２電極と前記第２パッドとを繋いでいる部分からなる第２配線と、前記第２導電層と前記圧電材料層との接触領域を規定する絶縁層を有し、前記絶縁層の一部が前記第２パッドと前記圧電材料層との間に介在し、前記絶縁層の厚みが前記圧電材料層の厚みよりも薄く、且つ、前記絶縁層の絶縁材料の誘電率が前記圧電材料層の圧電材料の誘電率以下であることを特徴とする発電デバイス。
【請求項２】
前記絶縁層の外周線が、前記第１導電層の外周線よりも外側にあることを特徴とする請求項１記載の発電デバイス。
【請求項３】
前記圧電材料層は、厚み方向において前記支持部に重なる部分の圧電性を消失させてあることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を利用して振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイス（圧電型振動発電デバイス）は、エネルギーハーベスティング（Energy Harvesting）、ユビキタスネットワーク（ubiquitousnetworks）、パワーＭＥＭＳ（Power Micro Electro MechanicalSystems）などの分野で注目され、各所で研究開発されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。ここで、特許文献１には、圧電体の材料として、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ＰＺＴＮ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3）が記載されている。また、非特許文献１には、圧電体の材料として、ＰＺＴが記載されている。
【０００３】
特許文献１には、図７に示すように、支持部１１１と、支持部１１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部（振動部）１１２と、カンチレバー部１１２上に形成された発電部（圧電変換部）１２０と、振動部１１２の自由端１１２ａ近傍に設けられた錘部１１３とを備えた発電デバイス１００が記載されている。ここにおいて、支持部１１１とカンチレバー部１１２とは、基板１０２と、基板１０２上に形成された絶縁層１０３と、絶縁層１０３上に形成された半導体層１０４とを有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板からなる基体１０１における半導体層１０４の一部により構成されている。また、発電部１２０は、第１電極１２２と圧電体層１２３と第２電極１２４との積層構造を有している。また、発電部１２０は、第１電極１２２の直下に、シリコン酸化膜などからなる下地層１２１を備えている。
【０００４】
非特許文献１に開示された発電デバイスは、図８に示すように、支持部２１１と、支持部２１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部２１２と、カンチレバー部２１２の先端部に設けられた錘部２１３と、カンチレバー部２１２に設けられた発電部２２０とを備えている。ここにおいて、支持部２１１とカンチレバー部２１２と錘部２１３とは、シリコン基板２０１を用いて形成されている。また、発電部２２０は、第１電極２２２と圧電体層２２３と第２電極２２４との積層構造を有している。また、この発電デバイスは、第１電極２２２と圧電体層２２３と第２電極２２４との積層構造が、カンチレバー部２１２上だけでなく、支持部２１１上にも形成されている。また、この発電デバイスは、第１電極２２２のうち支持部２１１上に形成されている部分の一部を第１のパッドとして露出させてあり、第１電極２２２と圧電体層２２３と第２電極２２４との積層構造のうち支持部２１１上に形成されている部分における第２電極２２４が第２のパッドを構成している。
【０００５】
また、従来から、電気機械変換装置として、図９に示すように、支持部３１１と、支持部３１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部３１２と、カンチレバー部３１２上に形成された圧電素子３２０とを備えたものが提案されている（特許文献２）。ここにおいて、支持部３１１とカンチレバー部３１２とは、シリコン基板からなる基体３０１を用いて形成されている。また、圧電素子３２０は、基体３０１の一表面側のシリコン酸化膜からなる絶縁膜３０１ｂ上に形成されており、第１電極３２２と圧電体層３２３と第２電極３２４との積層構造を有している。また、圧電体層３２３の材料としては、ＡｌＮおよびＰＺＴが記載されている。
【０００６】
また、上述の電気機械変換装置は、第１電極３２２と、支持部３１１において絶縁膜３０１ｂ上に形成された第１のパッド３２７ａとが、絶縁膜３０１ｂ上に形成された第１配線３２６ａを介して電気的に接続されている。また、この電気機械変換装置は、第２電極３２４と、支持部３１１において絶縁膜３０１ｂ上に形成された第２のパッド３２７ｂとが、第２配線３２６ｂを介して電気的に接続されている。また、この電気機械変換装置は、圧電素子３２０における支持部３１１側の端部を覆う形でレジスト層からなる絶縁層３２５が形成されており、第２配線３２６ｂが、第２電極３２４の表面と絶縁層３２５の表面と絶縁膜３０１ｂの表面とに跨って形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１３６５４２号公報
【特許文献２】特開２００５−３３１４８５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Shinya Ishikawa,et al,「MEMS ELECTRIC POWER GENERATOR USINGPIEZOELECTRIC THI FILM CANTILEVER」，Proceedings ofPowerMEMS 2008+ microEMS2008,Sendai,Japan,November 9-12,(2008)，p.265-268
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図７に示した構成の発電デバイス１００において外部へ出力を取り出すためには、第１電極１２２に接続された第１のパッド（図示せず）と第２電極１２４に接続された第２のパッド（図示せず）とを設ける必要がある。しかしながら、特許文献１には、第１のパッドおよび第２のパッドについて記載されていない。
【００１０】
これに対し、図８に示した構成の発電デバイスでは、第１電極２２２と圧電体層２２３と第２電極２２４との積層構造がカンチレバー部２１２上だけでなく支持部２１１上にも形成されている。このため、図８に示した構成の発電デバイスでは、発電に寄与しない圧電体層２２３の平面積が大きく、寄生容量が大きくなってしまう。そして、本願発明者らは、鋭意研究の結果、発電に寄与しない圧電体層２２３に起因した寄生容量の影響で発電効率および発電出力が低下してしまうという知見を得た。
【００１１】
また、図９に示した構成の電気機械変換装置では、絶縁層３２５を設けることによって、第２配線３２６ｂと第１電極３２２との短絡の回避と、圧電体層３２３の端部における段差に起因した第２配線３２６ｂの断線の回避とを図っている。
【００１２】
しかしながら、図９に示した構成の電気機械変換装置を発電デバイスに応用した場合、圧電体層３２３の厚みによっては第２配線３２６ｂが断線して発電出力が得られない懸念がある。要するに、このような発電デバイスでは、製造時の歩留まりが低下してしまい、コストが高くなってしまう懸念がある。
【００１３】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造時の断線の発生を抑制可能であり且つ発電出力の向上を図ることが可能な発電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の発電デバイスは、支持部、前記支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部、および前記カンチレバー部における前記支持部側とは反対の先端部に設けられた錘部を有するデバイス基板と、前記デバイス基板の一表面上に形成された第１導電層と、前記第１導電層における前記デバイス基板側とは反対側に形成された圧電材料層と、前記圧電材料層における前記第１導電層側とは反対側に形成された第２導電層とを備え、前記第１導電層のうち前記カンチレバー部に重なる部分からなる第１電極、前記圧電材料層のうち前記第１電極に重なる部分からなる圧電体層、および前記第２導電層のうち前記圧電体層に重なる部分からなる第２電極により構成される発電部と、前記第１導電層のうち前記支持部上に形成され前記圧電材料層と前記第２導電層とが積層されていない部分の一部からなる第１パッドと、前記第１導電層のうち前記第１電極と前記第１パッドとを繋いでいる部分からなる第１配線と、前記第２導電層のうち前記デバイス基板の厚み方向において前記支持部に重なる部分の一部からなる第２パッドと、前記第２導電層のうち前記第２電極と前記第２パッドとを繋いでいる部分からなる第２配線と、前記第２導電層と前記圧電材料層との接触領域を規定する絶縁層を有し、前記絶縁層の一部が前記第２パッドと前記圧電材料層との間に介在し、前記絶縁層の厚みが前記圧電材料層の厚みよりも薄く、且つ、前記絶縁層の絶縁材料の誘電率が前記圧電材料層の圧電材料の誘電率以下であることを特徴とする。
【００１５】
この発電デバイスにおいて、前記絶縁層の外周線が、前記第１導電層の外周線よりも外側にあることが好ましい。
【００１６】
この発電デバイスにおいて、前記圧電材料層は、厚み方向において前記支持部に重なる部分の圧電性を消失させてあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の発電デバイスにおいては、製造時の断線の発生を抑制可能であり且つ発電出力の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１の発電デバイスを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図２】同上の発電デバイスの製造方法の説明図である。
【図３】実施形態２の発電デバイスを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図４】同上の発電デバイスの製造方法の説明図である。
【図５】同上の発電デバイスの製造方法の説明図である。
【図６】同上の発電デバイスの製造方法の説明図である。
【図７】従来例の発電デバイスを示す概略断面図である。
【図８】他の従来例の発電デバイスを示す概略斜視図である。
【図９】別の従来例の電気機械変換装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下、本実施形態の発電デバイスについて図１に基づいて説明する。
【００２０】
発電デバイス１は、支持部１１、支持部１１に揺動自在に支持されたカンチレバー部１２、およびカンチレバー部１２における支持部１１側とは反対の先端部に設けられた錘部１３を有するデバイス基板１０を備えている。
【００２１】
また、発電デバイス１は、デバイス基板１０の一表面上に形成された第１導電層２２と、第１導電層２２におけるデバイス基板１０側とは反対側に形成された圧電材料からなる圧電材料層２３と、圧電材料層２３における第１導電層２２側とは反対側に形成された第２導電層２４とを備えている。
【００２２】
そして、発電デバイス１は、第１導電層２２のうちカンチレバー部１２に重なる部分からなる第１電極２２ａと、圧電材料層２３のうち第１電極２２ａに重なる部分からなる圧電体層２３ａと、第２導電層２４のうち圧電体層２３ａに重なる部分からなる第２電極２４ａとで構成される発電部２０を備えている。要するに、発電部２０は、デバイス基板１０の上記一表面側においてカンチレバー部１２上に形成されており、第１電極２２ａと圧電体層２３ａと第２電極２４ａとの積層構造を有している。ここにおいて、発電部２０は、カンチレバー部１２の振動に応じて交流電圧を発生する。
【００２３】
また、発電デバイス１は、第１導電層２２のうち支持部１１上に形成され圧電材料層２３と第２導電層２４とが積層されていない部分の一部からなる第１パッド２２ｃと、第１導電層２２のうち第１電極２２ａと第１パッド２２ｃとを繋いでいる部分からなる第１配線２２ｂとを備えている。
【００２４】
また、発電デバイス１は、第２導電層２４のうちデバイス基板１０の厚み方向において支持部１１に重なる部分の一部からなる第２パッド２４ｃと、第２導電層２４のうち第２電極２４ａと第２パッド２４ｃとを繋いでいる部分からなる第２配線２４ｂとを備えている。
【００２５】
また、発電デバイス１は、第２導電層２４と圧電材料層２３との接触領域を規定する絶縁層２５を備えている。この絶縁層２５は、第２電極２４ａと圧電材料層２３における圧電体層２３ａとの接触領域を規定する開口部２５ａを有している。また、本実施形態の発電デバイス１では、絶縁層２５の一部が、デバイス基板１０の厚み方向において第２パッド２４ｃと圧電材料層２３との間に介在している。
【００２６】
デバイス基板１０は、基板１０ａを用いて形成されている。基板１０ａとしては、一表面が（１００）面である単結晶のシリコン基板を用いているが、これに限らず、多結晶のシリコン基板でもよい。また、単結晶のシリコン基板は、上記一表面が（１００）面のものに限らず、例えば、（１１０）面のものでもよい。
【００２７】
デバイス基板１０において、基板１０ａと発電部２０とは、基板１０ａの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１０ｂによって、電気的に絶縁されている。また、デバイス基板１０は、基板１０ａの他表面側に、シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１０ｃが形成されている。ただし、第２の絶縁膜１０ｃは、必ずしも設ける必要はない。基板１０ａとしては、シリコン基板に限らず、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板などを用いてもよい。基板１０ａとして、ＭｇＯ基板やガラス基板やポリマー基板などの絶縁性基板を用いる場合、第１の絶縁膜１０ｂも設ける必要はない。
【００２８】
デバイス基板１０は、支持部１１が、枠状（ここでは、矩形枠状）に形成され、カンチレバー部１２および錘部１３が、支持部１１の内側に配置されている。ここにおいて、デバイス基板１０は、カンチレバー部１２と錘部１３とで構成される可動部を囲む平面視Ｕ字状のスリット１０ｄが設けられることによって、カンチレバー部１２における支持部１１との連結部位以外の部分が、支持部１１と空間的に分離されている。なお、支持部１１は、カンチレバー部１２を揺動自在に支持できる形状であればよく、必ずしも枠状である必要はない。
【００２９】
発電部２０は、デバイス基板１０の上記一表面側に形成されている。発電部２０は、圧電体層２３ａと、この圧電体層２３ａの厚み方向（図１（ｂ）における上下方向）の両面に形成され互いに対向する第１電極２２ａおよび第２電極２４ａとを備えている。発電部２０は、圧電体層２３ａの厚み方向に沿った分極の向きが、図１（ｂ）において上向きとなっている。したがって、発電部２０により構成されるコンデンサの極性は、図１（ｂ）における上側の第２電極２４ａがプラス、下側の第１電極２２ａがマイナスとなる。ただし、発電部２０における分極の向きは、図１（ｂ）において下向きでもよい。この場合、発電部２０により構成されるコンデンサの極性は、図１（ｂ）における下側の第１電極２２ａがプラス、上側の第２電極２４ａがマイナスとなる。
【００３０】
発電部２０では、カンチレバー部１２の振動によって圧電体層２３ａが応力を受け第２電極２４ａと第１電極２２ａとに電荷の偏りが発生し、交流電圧が発生する。要するに、本実施形態の発電デバイス１は、発電部２０が圧電材料の圧電効果を利用して発電する圧電型振動発電デバイスである。
【００３１】
圧電体層２３ａの平面形状は、第１電極２２ａよりも平面サイズがやや小さく、且つ、第２電極２４ａよりもやや大きな、矩形状に形成されている。ここで、発電デバイス１は、支持部１１とカンチレバー部１２と錘部１３とを結ぶ方向において、第１電極２２ａと圧電体層２３ａと第２電極２４ａとが重なっている領域の支持部１１側の端を、支持部１１とカンチレバー部１２との境界に揃えてある。これにより、発電デバイス１は、上記領域の支持部１１側の端が上記境界よりもカンチレバー部１２側にある場合に比べて、カンチレバー部１２の振動時に応力が高くなる部分に存在する発電部２０の面積を大きくでき、発電効率を向上することが可能となる。
【００３２】
圧電材料層２３の圧電材料としては、ＰＺＴを採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものなどでもよい。
【００３３】
第１導電層２２は、デバイス基板１０の上記一表面上のＰｔ膜と当該Ｐｔ膜上のＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成してある。ここにおいて、ＳｒＲｕＯ3膜は、圧電材料層２３の圧電材料がＰＺＴである場合に、緩衝層の機能を兼ねて設けることが好ましい。発電デバイス１は、このような緩衝層を備えていることにより、圧電材料層２３の結晶性を向上させることが可能となる。ただし、圧電材料がＰＺＴの場合、緩衝層は、ＳｒＲｕＯ3膜に限らず、例えば、ＬａＮｉＯ3膜などでもよい。また、緩衝層の材料は、圧電材料に応じて適宜選択すればよい。また、緩衝層は必ずしも設ける必要はなく、第１導電層２２を単一の金属材料のみにより形成してもよい。この場合、第１導電層２２の材料としては、例えば、Ｐｔを採用すればよいが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒなどでもよい。
【００３４】
第２導電層２４は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してある。ここにおいて、Ｔｉ膜は、第２導電層２４と圧電材料層２３および絶縁層２５との密着性を向上させるための密着層として設けてある。密着層の材料は、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどを採用することもできる。また、第２導電層２４において密着層以外の部分からなる主要部の材料は、Ａｕに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。なお、密着層の材料は、第２導電層２４の主要部の材料と圧電材料層２３の圧電材料および絶縁層２５の絶縁材料との組み合わせに応じて、各種の導電性材料から適宜選択すればよい。また、この組み合わせによっては、密着層を必ずしも設ける必要はない。
【００３５】
ところで、本実施形態の発電デバイス１では、絶縁層２５の厚みを圧電材料層２３の厚みより薄く設定してある。本実施形態の発電デバイス１では、第１導電層２２の厚みを５００ｎｍ、圧電材料層２３の厚みを３０００ｎｍ、第２導電層２４の厚みを５００ｎｍ、絶縁層２５の厚みを５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
【００３６】
また、絶縁層２５は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。ここにおいて、絶縁層２５の絶縁材料は、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4となる。絶縁層２５の絶縁材料は、圧電材料層２３の圧電材料の誘電率以下の絶縁材料であればよく、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4に限らず、例えば、ＳｉＯＮなどでもよい。
【００３７】
以下、本実施形態の発電デバイス１の製造方法について図２に基づいて説明する。
【００３８】
まず、シリコン基板からなる基板１０ａの上記一表面側および上記他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０ｂ，１０ｃを形成する絶縁膜形成工程を行う。その後、基板１０ａの上記一表面側の全面に第１導電層２２を形成する第１導電層形成工程を行う。続いて、基板１０ａの上記一表面側の全面に圧電材料層２３を形成する圧電材料層形成工程を行う。その後、圧電材料層２３を圧電材料層２３の所定の形状にパターニングする圧電材料層パターニング工程を行う。続いて、第１導電層２２を第１導電層２２の所定の形状にパターニングする第１導電層パターニング工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。上述の絶縁膜形成工程において絶縁膜１０ｂ，１０ｃを形成する方法としては、例えば、熱酸化法を採用すればよいが、これに限らず、ＣＶＤ法などを採用してもよい。また、上述の第１導電層形成工程において第１導電層２２を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法などを採用してもよい。また、上述の圧電材料層形成工程において圧電材料層２３を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを採用してもよい。また、圧電材料層パターニング工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電材料層２３をパターニングする。また、第１導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１導電層２２をパターニングする。
【００３９】
上述の第１導電層パターニング工程の後、基板１０ａの上記一表面側に絶縁層２５を形成する絶縁層形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。絶縁層形成工程では、基板１０ａの上記一表面側の全面に絶縁層２５をＣＶＤ法などにより成膜してから、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁層２５をパターニングする際に開口部２５を形成する。絶縁層形成工程では、開口部２５ａを有する絶縁層２５を、リフトオフ法を利用して形成するようにしてもよい。
【００４０】
上述の絶縁層形成工程の後、基板１０ａの上記一表面側の全面に第２導電層２４を形成する第２導電層形成工程を行う。その後、第２導電層２４を第２導電層２４の所定の形状にパターニングする第２導電層パターニング工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。上述の第２導電層形成工程において第２導電層２４を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法などを採用してもよい。また、第２導電層パターニング工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２導電層２４をパターニングする。
【００４１】
上述の第２導電層配線形成工程の後、第２導電層２４の一部からなる第２のパッド２４ｃと第１導電層２２の一部からなる第１のパッド２２ｃとの間に電圧を印加することで圧電材料層２３において第２電極２４ａと第１電極２２ａに挟まれている部分の分極方向を揃える分極処理（ポーリング処理）工程を行う。なお、分極処理工程は、必要に応じて適宜行えばよい。
【００４２】
上述の分極処理工程の後、基板１０ａの上記一表面側からカンチレバー部１２、錘部１３および支持部１１以外の部位（上述のスリット１０ｄの形成予定領域）をカンチレバー部１２の厚みに対応する分だけエッチングすることで溝を形成する溝形成工程を行う。その後、基板１０ａの上記他表面側から錘部１３および支持部１１以外の部位（上述のスリット１０ｄの形成予定領域）をエッチングすることで錘部１３および支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成するカンチレバー部形成工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造の発電デバイス１を得る。上述の溝形成工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して溝を形成する。また、上述のカンチレバー部形成工程では、リソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して、錘部１３および支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成する。なお、このカンチレバー形成工程において、スリット１０ｄが形成される。
【００４３】
発電デバイス１の製造にあたっては、カンチレバー部形成工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電デバイス１に分割するようにしている。
【００４４】
以上説明した本実施形態の発電デバイス１は、絶縁層２５の一部が第２パッド２４ｃと圧電材料層２３との間に介在し、絶縁層２５の厚みが圧電材料層２３の厚みよりも薄いので、製造時に第２配線２４ｂに断線が発生するのを抑制可能となるとともに、製造後の第２配線２４ｂの信頼性を向上させることが可能となる。しかも、本実施形態の発電デバイス１では、絶縁層２５の一部が第２パッド２４ｃと圧電材料層２３との間に介在し、絶縁層２５の絶縁材料の誘電率が圧電材料層２３の圧電材料の誘電率以下であるので、圧電材料層２３のうち厚み方向において支持部１１に重なる部分２３ｄ（図１（ｂ）参照）に起因した寄生コンデンサの寄生容量を低減することが可能となり、発電部２０の容量に比べて寄生容量を十分に小さくすることが可能となる。しかして、本実施形態の発電デバイス１では、製造時の断線の発生を抑制可能であり且つ発電出力の向上を図ることが可能となる。ここで、本実施形態の発電デバイス１では、チップサイズを変更することなく発電部２０の発電出力を向上させることが可能となるから、小型化を図りながらも高出力化を図ることが可能となる。また、本実施形態の発電デバイス１では、上述の断線の発生を抑制することが可能となるから、製造歩留まりの向上および信頼性の向上を図れる。
【００４５】
また、本実施形態の発電デバイス１は、絶縁層２５の外周線が、第１導電層２２の外周線よりも外側にあるので、第２導電層２４と第１導電層２２との間に絶縁層２５を確実に介在させることができるので、発電デバイス１の個体間で寄生容量がばらつくのを抑制することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態の発電デバイス１では、上述の製造方法でも説明したように、基板１０ａの上記一表面側の全面に第１導電層２２を形成した後で、基板１０ａの上記一表面側の全面に圧電材料層２３を形成してから、当該圧電材料層２３をパターニングするようにしている。したがって、本実施形態の発電デバイス１では、基板１０ａの上記一表面側に所望の形状の第１導電層２２を形成してから、基板１０ａの上記一表面側の全面に圧電材料層２３を形成し、この圧電材料層２３をパターニングするような場合に比べて、圧電材料層２３の結晶性を向上でき、発電効率の向上を図れる。
【００４７】
ところで、発電デバイス１の製造方法は、上述の例に限らず、第１導電層２２上に圧電材料層２３を形成するにあたって、基板（第１基板）１０ａよりも圧電材料層２３との格子整合性の良い第２基板の一表面側に圧電材料層２３を形成したものを形成した後で、第２基板を透過するレーザ光を利用して圧電材料層２３を第１基板１０ａの上記一表面側に転写するようにしてもよい。このような製造方法では、圧電材料層２３の結晶性を向上させることが可能となる。例えば、圧電材料層２３の圧電材料がＰＺＴであり、第１基板１０ａとしてシリコン基板を用いている場合、第２基板としてＭｇＯ基板を用いることにより、圧電材料層２３の結晶性を向上させることが可能となる。また、ＭｇＯ基板を再利用することが可能となるので、第１基板１０ａとしてシリコン基板よりも高価なＭｇＯ基板を用いる場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。なお、第２基板の上記一表面側に圧電材料層２３を形成する場合、適宜の緩衝層やシード層を介して圧電材料層２３を形成することにより圧電材料層２３の結晶性をより向上させることが可能となる。
【００４８】
（実施形態２）
本実施形態の発電デバイスについて図３に基づいて説明する。
【００４９】
本実施形態の発電デバイス１の基本構成は実施形態１と略同じであり、圧電材料層２３のうち厚み方向において支持部１１に重なる部分２３ｄの圧電性を消失させてある点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態の発電デバイス１は、圧電材料層２３のうち厚み方向において支持部１１に重なる部分２３ｄと絶縁層２５との間に分極破壊用の電極２６が介在している。この電極２６は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してある。ここにおいて、Ｔｉ膜は、電極２６と圧電材料層２３との密着性を向上させるための密着層として設けてある。密着層の材料は、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどを採用することもできる。また、電極２６において密着層以外の部分からなる主要部の材料は、Ａｕに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどでもよい。電極２６の厚みと絶縁層２５の厚みとの合計厚みを圧電材料層２３の厚みよりも小さく設定することにより、第２配線２４ｂの断線の発生を抑制することが可能となる。なお、密着層の材料は、電極２６の主要部の材料と圧電材料層２３の圧電材料との組み合わせに応じて、各種の導電性材料から適宜選択すればよい。また、この組み合わせによっては、密着層を必ずしも設ける必要はない。
【００５１】
以下、本実施形態の発電デバイス１の製造方法について図４〜図６に基づいて説明するが、実施形態１において説明した製造方法と同様の工程については説明を適宜省略する。
【００５２】
まず、シリコン基板からなる基板１０ａの上記一表面側および上記他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０ｂ，１０ｃを形成する絶縁膜形成工程を行う。その後、基板１０ａの上記一表面側の全面に第１導電層２２を形成する第１導電層形成工程を行う。続いて、基板１０ａの上記一表面側の全面に圧電材料層２３を形成する圧電材料層形成工程を行う。その後、圧電材料層２３を圧電材料層２３の所定の形状にパターニングする圧電材料層パターニング工程を行う。続いて、第１導電層２２を第１導電層２２の所定の形状にパターニングする第１導電層パターニング工程を行うことによって、図４（ａ）に示す構造を得る。
【００５３】
上述の第１導電層パターニング工程の後、上述の分極破壊用の電極２６を形成する電極形成工程を行うことによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。この電極形成工程では、例えば、基板１０ａの上記一表面側の全面に電極２６の基礎となる第３導電層を形成してから、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３導電層をパターニングすることによって、第３導電層の一部からなる電極２６を形成すればよい。
【００５４】
上述の電極形成工程の後、図４（ｃ）に示すように、第１パッド２２ｃと電極２６とにそれぞれ通電用の針２７，２８を接触させて適宜の電圧を印加することで分極率を略０とする分極破壊工程を行う。この分極破壊工程では、ソーヤ・タワー回路を利用して分極破壊を行う。すなわち、圧電材料層２３が図５（ａ）に示すような電界−分極率特性（ヒステリシス特性）を有しているので、図５（ｂ）のように電界を変化させ、Ａ３のポイントで電界の変化を停止することにより、分極率を略０とする（つまり、圧電性を消失させる）ことが可能となる。なお、図５（ａ）の各ポイントＡ１，Ａ２，Ａ３と図５（ｂ）の各ポイントＡ１，Ａ２，Ａ３とは、１対１で対応している。
【００５５】
上述の分極破壊工程の後、基板１０ａの上記一表面側に絶縁層２５を形成する絶縁層形成工程を行うことによって、図６（ａ）に示す構造を得る。
【００５６】
上述の絶縁層形成工程の後、基板１０ａの上記一表面側の全面に第２導電層２４を形成する第２導電層形成工程を行う。その後、第２導電層２４を第２導電層の所定の形状にパターニングする第２導電層パターニング工程を行うことによって、図６（ｂ）に示す構造を得る。
【００５７】
上述の第２導電層配線形成工程の後、第２導電層２４の一部からなる第２のパッド２４ｃと第１導電層２２の一部からなる第１のパッド２２ｃとの間に電圧を印加することで圧電材料層２３において第２電極２４ａと第１電極２２ａに挟まれている部分の分極方向を揃える分極処理工程を行う。なお、分極処理工程は、必要に応じて適宜行えばよい。
【００５８】
上述の分極処理工程の後、基板１０ａの上記一表面側からカンチレバー部１２、錘部１３および支持部１１以外の部位（上述のスリット１０ｄの形成予定領域）をカンチレバー部１２の厚みに対応する分だけエッチングすることで溝を形成する溝形成工程を行う。その後、基板１０ａの上記他表面側から錘部１３および支持部１１以外の部位（上述のスリット１０ｄの形成予定領域）をエッチングすることで錘部１３および支持部１１と併せてカンチレバー部１２を形成するカンチレバー部形成工程を行うことによって、図６（ｃ）に示す構造の発電デバイス１を得る。
【００５９】
以上説明した本実施形態の発電デバイス１では、圧電材料層２３のうち厚み方向において支持部１１に重なる部分２３ｄの圧電性を消失させてあるので、寄生容量を更に低減することが可能となる。
【００６０】
なお、実施形態１，２の発電デバイス１を発電させることが可能な外部振動としては、例えば、稼動中のＦＡ機器で発生する振動、車両の走行によって発生する振動、人の歩行によって発生する振動など、種々の環境振動がある。ここにおいて、発電デバイス１は、共振周波数が、所定の外部振動の周波数と一致するように構造設計することが好ましい。
【符号の説明】
【００６１】
１  発電デバイス
１０  デバイス基板
１１  支持部
１２  カンチレバー部
１３  錘部
２０  発電部
２２  第１導電層
２２ａ  第１電極
２２ｂ  第１配線
２２ｃ  第１パッド
２３  圧電材料層
２３ａ  圧電体層
２４  第２導電層
２４ａ  第２電極
２４ｂ  第２配線
２４ｃ  第２パッド
２５  絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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