(57)【要約】本発明は、環境発電装置に関し、該装置は、第１及び第２端部間に延び、圧電材料を含む細長い共振梁と、該共振梁に該第１端部で接続されたベースであって、該第２端部はカンチレバーとしてベースから自由に延びている、ベースと、該共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、該共振梁の第２端部の少なくとも一部を囲むパッケージと、該パッケージに接続されたコンプライアントストッパとを含み、該ストッパは、カンチレバーの動きを安定化させて破損を防止するように構成される。更に、システム、電動機器に電力を供給する方法、及び、環境発電装置の製造方法を開示する。2017506491.tif 000006
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を含む細長い共振梁であって、第１及び第２端部間に延びる、前記共振梁と、
前記共振梁に前記第１端部で接続されたベースであって、前記第２端部はカンチレバーとして前記ベースから自由に延びている、前記ベースと、
前記共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、
前記共振梁の第２端部の少なくとも一部を囲むパッケージと、
前記パッケージに接続されたコンプライアントストッパであって、前記カンチレバーの動きを安定化させて破損を防止するように構成された、前記ストッパと
を含む、環境発電装置。
【請求項２】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記コンプライアントストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
電動機器と、
前記機器に電気的に連結された請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置と
を含む、システム。
【請求項１４】
前記電動機器は、ラップトップコンピュータ；タブレットコンピュータ；携帯電話；スマートフォン；電子ブックリーダ；ＭＰ３プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲーム装置；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；カメラ；無線センサ；タブレット、ＰＣ及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；無線センサモート（産業、鉄道、建物、農業等をモニタリングするネットワーク用）；タイヤ空気圧センサモニタ；動力工具の簡易ディスプレイの電力供給；家畜をモニタリングするための農業装置；医療装置；人体モニタリング装置；ならびに、おもちゃからなる群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、請求項１３または１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、請求項１３から１６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、及び他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、請求項１３から１７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、請求項１３から１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、請求項１３から２０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、請求項２１または２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、請求項１３から２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、請求項１３から２４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２６】
電動機器に電力を供給する方法であって、
請求項１３から２５のいずれか１項に記載のシステムを準備する工程と、
前記システムを運動または振動に供して前記圧電材料から電気エネルギを生成する工程と、
前記圧電材料からの電気エネルギを前記機器に伝達して、前記機器に電力を提供する工程と
を含む、前記方法。
【請求項２７】
前記機器は、ラップトップコンピュータ；タブレットコンピュータ；携帯電話；スマートフォン；電子ブックリーダ；ＭＰ３プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲーム装置；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；カメラ；無線センサ；タブレット、ＰＣ及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；無線センサモート（産業、鉄道、建物、農業等をモニタリングするネットワーク用）；タイヤ空気圧センサモニタ；動力工具の簡易ディスプレイの電力供給；家畜をモニタリングするための農業装置；医療装置；人体モニタリング装置；ならびに、おもちゃからなる群から選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、請求項２６から２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、請求項２６から２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記コンプライアントストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、及び他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、請求項２６から３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、請求項２６から３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記システムは、前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、請求項２６から３３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記システムは、前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、請求項３４または３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、請求項２６から３６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、請求項２６から３７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、コンプライアントカンチレバーストッパ構造を有するパッケージ化された圧電式環境発電装置、この装置を含むシステム、ならびに、この装置を使用及び作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
集積回路のサイズ及び消費電力の双方を低減することが無線技術の普及をもたらしてきた。例えば、タブレット；スマートフォン；携帯電話；ラップトップコンピュータ；ＭＰ３プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；無線センサ；タイヤ空気圧センサモニタ；タブレット、パソコン及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；家畜のモニタリング用装置；医療装置；人体モニタリング装置；おもちゃ等を含む、低電力無線回路を使用する多種多様な装置がある。これらの装置のそれぞれは、作動するために独立した電源を必要とする。典型的には、これらの装置に対する電力供給は、電気バッテリであり、多くの場合、交換可能なバッテリである。
【０００３】
著しく関心のある他の無線技術は、無線センサ及び無線センサネットワークである。このようなネットワークでは、無線センサは特定の環境全体にわたって分散され、中央ハブに測定データをリレーするアドホックネットワークを形成する。特定の環境には、例えば自動車、航空機、工場または建物が挙げられる。無線センサネットワークは、長距離にわたって多重反射伝搬を使用して動作する数個から幾万個の無線センサ「ノード」を有しても良い。各無線ノードは、一般に、センサ、無線電子装置及び電源を有する。これらの無線センサネットワークは、環境条件に対応する知的環境を作り出すために使用可能である。
【０００４】
上述の他の無線装置と同様に、無線センサノードは、ノードの電子装置を作動するために独立した電力を必要する。リチウムイオン電池、空気亜鉛電池、リチウム電池、アルカリ電池、ニッケル水素電池、及び、ニッケルカドミウム電池等の従来の電池を使用することができる。しかし、無線センサノードは、このような電池の典型的な使用寿命を超えて機能することが有益となることがある。更に、特に多くのノードを有する大きなネットワークでは、電池交換が煩わしいことがある。
【０００５】
代替的な独立した電源は、周囲環境からの捕捉（または「取得」）エネルギに依存する。例えば、動力駆動の装置が十分な光に晒される場合は、好適で代替的な独立した電源には、光電池または太陽電池が含まれ得る。あるいは、動力駆動の装置が十分な空気移動に晒される場合は、好適で代替的な独立した電源には、移動する空気から電力を取得するためのタービンまたはマイクロタービンが含まれ得る。他の代替的な独立した電源はまた、温度変動、圧力変動または他の環境の作用に基づくことができる。
【０００６】
いくつかの環境は、特定の装置に電力を供給するための十分な量の光、空気移動、温度変動及び／または圧力変化を有しない。このような環境下でも、装置は、例えば構造支持体から生じる、適正に予測可能な及び／または一定の振動を受けることがあり、これは一定周波数の振動、または、多数の周波数を含有するインパルス振動のいずれかの形態であり得る。このような場合、動き（例えば振動エネルギ）を電気エネルギに本質的に変換するスカベンジャ（またはハーベスタ）を使用することが可能である。
【０００７】
振動エネルギハーベスタの一つの特定のタイプは、圧電材料を組み込んだ共振梁を使用し、この圧電材料は、周囲の振動（駆動力）に起因する梁の共振中に歪むと電荷を生成する。
【０００８】
微小電気機械（「ＭＥＭＳ」）カンチレバー圧電式環境発電装置が、密閉パッケージ（真空パッケージ、加圧パッケージ、または、大気圧でありかつ更に通気することもできるパッケージを含む）内に配置される場合、圧電式カンチレバーは、撓む際（特に、高めのＧレベルで）に、パッケージの撓みがパッケージの高さに等しいと、パッケージの頂部または底部と相互作用する可能性がある。これは、最終的にカンチレバーの変形及び破損に至る。この変形は、インパクト中のカンチレバーを安定化させるために、パッケージの頂部及び底部キャップ内に機構（例えばストッパ）を組み込むことにより、軽減可能なことが文献に報告されている。この機構は、ガラスまたはシリコンで形成した剛性の棚または柱の形態で実装される。新しい機構が、パッケージ化された環境発電装置の頑健性を、特に低圧環境でパッケージ化されたときに、より増大するために必要である。
【０００９】
本発明は、当技術分野におけるこれら及び他の不都合を克服することを対象とする。
【発明の概要】
【００１０】
本発明の一つの態様は、環境発電装置に関し、該装置は、第１及び第２端部間に延び、圧電材料を含む細長い共振梁と、共振梁に第１端部で接続されたベースであって、第２端部がカンチレバーとしてベースから自由に延びている、ベースと、共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、共振梁の第２端部の少なくとも一部を囲むパッケージと、パッケージに接続されたコンプライアントストッパとを含み、このストッパは、カンチレバーの動きを安定化させ、破損を防止するように構成される。
【００１１】
本発明の他の態様は、電動機器及びこの機器に電気的に連結された本発明の環境発電装置を含むシステムに関する。
【００１２】
本発明の更なる態様は、電動機器に電力を供給する方法に関する。この方法は、本発明によるシステムを準備する工程と、このシステムを運動または振動に供して圧電材料から電気エネルギを生成する工程と、圧電材料からの電気エネルギを機器に伝達して、機器に電力を提供する工程とを包含する。
【００１３】
本発明のパッケージ化された環境発電装置は、コンプライアントストッパという特徴を組み込み、カンチレバー／パッケージの相互作用を安定化する機能を提供する。ストッパは、インパクトのパルス幅、及びそれに続いて、パッケージとのインパクトの際にカンチレバーが受ける加速度レベルを調整するように、材料選択またはデザインの一方または双方を通してある程度のコンプライアンスを有するように作製される。この受ける加速度の低下は、パッケージ化された環境発電装置の頑健性を、特に低圧環境でパッケージ化された場合に、更に増大する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
（図１）第１及び第２端部を有し、圧電材料を含む共振梁と、共振梁に第１端部で接続されたベースであって、第２端部がカンチレバーとしてこのベースから自由に延びている、ベースと、共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、共振梁を囲むパッケージとを有する、本発明の環境発電装置の一つの実施形態の側面図（または、側部断面図）である。このベースはパッケージと一体に形成される。２つのコンプライアントストッパが、共振梁の第２端部の近部の対向する内壁上でパッケージに接続される。ストッパは、カンチレバーの動きを安定化し、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止するように構成される。
（図２Ａ，２Ｂ）従来技術の環境発電装置の側面図である。図２Ａでは、環境発電装置はパッケージの内壁上にストッパ構造がない。したがって、カンチレバー構造は、撓む際にパッケージの内壁に接触し、この結果、カンチレバーが変形し、損壊する可能性がある。図２Ｂでは、環境発電装置は、パッケージの２つの対向する内壁上にストッパ構造を有する。しかし、ストッパ構造は、パッケージ内に収容される圧電カンチレバー構造と接触する際に形状の変形が生じること（弾力性）のない、剛性の非弾力性材料で形成される。これも、カンチレバーの変形及び損傷の可能性を生じさせることがある。
（図３Ａ，３Ｂ）図２に示す従来技術の環境発電装置のカンチレバー構造のＧ加速度のプロファイル（図３Ｂ）を示し、カンチレバーは、弾力性が最小であるかまたは弾力性を有しない（すなわち、剛性）、パッケージの内壁上に位置するストッパに接触している（図３Ａ）。
（図４Ａ，４Ｂ）本発明の環境発電装置の一つの実施形態のカンチレバー構造のＧ加速度プロファイル（図４Ｂ）を示し、カンチレバーはパッケージの内壁上のコンプライアントストッパ構造に接触する（図４Ａ）。図４Ａにおいて、図示される本発明の環境発電装置の特定の実施形態は、第１及び第２端部を有し、圧電材料を含む共振梁と、共振梁に第１端部で接続されたベースであって、第２端部がカンチレバーとしてベースから自由に延びている、ベースと、共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、共振梁を囲むパッケージとを有する。コンプライアントストッパはパッケージに接続され、このストッパはカンチレバーの動きを安定化し、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止するように構成される。
（図５）本発明の環境発電装置に使用するコンプライアントストッパの一つの実施形態の側面図を示す。コンプライアントストッパは、支柱の形態であり、圧電式カンチレバー構造を収容するパッケージの（例えば、対向する）内壁上に形成しても良い。
（図６Ａ，６Ｂ）本発明の環境発電装置に使用するコンプライアントストッパの２つの異なる実施形態の側面図を示す。コンプライアントストッパは球（図６Ａ）及び半球（図６Ｂ）の形態であり、圧電式カンチレバー構造を収容するパッケージの（例えば、対向する）内壁上に形成しても良い。あるいは、図６Ａ，６Ｂは、内壁（上側の壁）に沿って共振梁に平行な長手方向に形成された、ロッド若しくは円筒（図６Ａ）、または、部分的な円筒（図６Ｂ）の形態のコンプライアントストッパの前面図である。
（図７）本発明の環境発電装置に使用するコンプライアントストッパの一つの実施形態の側面図を示す。コンプライアントストッパは、図８Ａ〜８Ｅの前面図に示すような支柱または他のデザインの形態であり、圧電式カンチレバー構造を収容するパッケージの（例えば、対向する）内壁上に形成しても良い。
（図８Ａ−８Ｅ）本発明の環境発電装置に使用するコンプライアントストッパの５つの異なる実施形態の前面図を示す。コンプライアントストッパのこれらの特定の実施形態は、図７に示すコンプライアントストッパの側面図を有しても良く、または有しなくても良い。コンプライアントストッパは、コンプライアントストリップ（図８Ａ）、コンプライアント懸垂ストリップ（図８Ｂ，８Ｄ，８Ｅ）、コンプライアント複式構造（図８Ｃ）の形態であり、圧電式カンチレバー構造を収容するパッケージの（例えば、対向する）内壁上に形成しても良い。
（図９Ａ，９Ｂ）静止状態の共振梁に垂直に形成された支柱の形態の２つのコンプライアントストッパを有する本発明の環境発電装置の一つの実施形態を示す。２つのコンプライアントストッパは、対向する内壁上でパッケージに接続される。コンプライアントストッパは、カンチレバーの動きを安定化し、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止するように構成される。図９Ａは、カンチレバーがコンプライアントストッパ構造に接触する前の環境発電装置を示し、図９Ｂは、カンチレバーがコンプライアントストッパ構造に接触した後の環境発電装置を示す。
（図１０Ａ，１０Ｂ）不均一な複式支柱の形態のコンプライアントストッパを有する本発明の環境発電装置の一つの実施形態を示す。コンプライアントストッパは、対向する内壁上でパッケージに接続され、カンチレバーの動きを安定化し、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止するように構成される。図１０Ａは、カンチレバーがパッケージの一方の内壁上の複式コンプライアントストッパに接触する前の環境発電装置を示し、図１０Ｂは、カンチレバーが複式コンプライアントストッパに接触した後の環境発電装置を示す。
（図１１Ａ，１１Ｂ）静止状態の共振梁に平行に形成された梁の形態の２つのコンプライアントストッパを有する本発明の環境発電装置の一つの実施形態を示す。コンプライアントストッパは、パッケージの１つの内壁上でパッケージに接続される。一方のコンプライアントストッパは、共振梁より上側でパッケージに接続され、他方のコンプライアントストッパは、共振梁より下側でパッケージに接続される。コンプライアントストッパは、カンチレバーの動きを安定化し、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止するように構成される。図１１Ａは、カンチレバーがコンプライアントストッパに接触する前の環境発電装置を示し、図１１Ｂは、カンチレバーがコンプライアントストッパに接触した後の環境発電装置を示す。
（図１２Ａ，１２Ｂ）静止状態の共振梁に平行に形成された梁の形態の２つのコンプライアントストッパを有する本発明の環境発電装置の一つの実施形態を示す。コンプライアントストッパは、パッケージの１つの内壁上でパッケージに接続される。一方のコンプライアントストッパは、共振梁より上側でパッケージに接続され、他方のコンプライアントストッパは共振梁より下側でパッケージに接続される。コンプライアントストッパは、カンチレバーの動きを安定化させ、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止するように構成される。図１２Ａは、カンチレバーがコンプライアントストッパに接触する前の環境発電装置を示し、図１２Ｂは、カンチレバーがコンプライアントストッパに接触した後の環境発電装置を示す。
（図１３Ａ−１３Ｃ）図１１Ａ，１１Ｂ及び図１２Ａ，１２Ｂに示す本発明の環境発電装置の特定の実施形態に使用しても良いコンプライアントストッパの種々の実施形態を示す。図１３Ａ，１３Ｂはコンプライアントストッパの側面図である。図１３Ｃは図１３Ｂに示すコンプライアントストッパの前面図である。これらの構造は、例えば、コンプライアントストッパがパッケージの１つの内壁上に形成され、一方のコンプライアントストッパが共振梁より上側でパッケージに接続され、他方のコンプライアントストッパが共振梁より下側でパッケージに接続されたときに、特に有用である。
（図１４Ａ−１４Ｃ）支柱の形態のコンプライアントストッパを有する本発明の環境発電装置の種々の実施形態を示す。図１４Ａ〜１４Ｃに示す各実施形態では、コンプライアントストッパは内壁上でパッケージに接続される。図１４Ａ，１４Ｂでは、コンプライアントストッパは、共振梁に接触したときに変形し、カンチレバーの動きを安定化させ、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止する弾力性材料で構成される。図１４Ａは、カンチレバーがコンプライアントストッパに接触する前の環境発電装置を示し、図１４Ｂは、カンチレバーがコンプライアントストッパに接触した後の環境発電装置を示す。図１４Ｃでは、コンプライアントストッパは、その位置が動いて弾力効果を生み出すように構築される。更に、図１４Ｃに示す環境発電装置は、カンチレバーが接続されるベースを有し、このベースは、図１４Ａ，１４Ｂに示すようなパッケージに接続されるまたはパッケージと一体のカンチレバーとは対照的に、パッケージとは別個の構造である。
（図１５）静止状態の共振梁に垂直に形成された支柱の形態の２つのコンプライアントストッパを有する本発明の環境発電装置の一つの実施形態の側面図である。コンプライアントストッパは、対向する内壁上でパッケージに接続される。図の記号は、下記式に従う、圧電式カンチレバーのトルクバランスを最適とするためのコンプライアントストッパのパッケージ壁上の位置決めについての数学的考察を示す。
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（図１６）スマートフォンに電気的に連結されて電気エネルギを提供し、スマートフォンに電力を供給する本発明の環境発電装置を含む電動のスマートフォンを有する本発明のシステムの一つの実施形態を示す。
（図１７）本発明の環境発電装置の一つの実施形態を製造するための層状の材料スタックの側面図である。この層状の材料スタックは、シリコンウェハ、第１二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、第２二酸化ケイ素層、任意の接着層、第１金属層、圧電材料層、及び、第２金属層を有する。
（図１８）図１７の層状材料スタックの側面図であり、本発明の環境発電装置を製造する方法の一つの実施形態にしたがって、層状材料スタックから圧電材料層と（１つまたは複数の）金属層の一部を除去するように、パターン化される。
（図１９）図１８の層状材料スタックの側面図であり、第１金属層は層状材料スタックからその一部を除去するようにパターン化される。
（図２０）図１９の層状材料スタックの側面図であり、本発明の環境発電装置を製造する方法の一つの実施形態にしたがって、第２二酸化ケイ素層、カンチレバー材料及び第１二酸化ケイ素層の一部を層状材料スタックから除去するように、更にパターン化される。
（図２１）図２０の層状材料スタックの側面図であり、第３二酸化ケイ素層が、パターン化された圧電スタック層、ならびにパターン化された第２二酸化ケイ素層、カンチレバー材料及び第１二酸化ケイ素層の上に配置されている。
（図２２）図２０の層状材料スタックの側面図であり、本発明の環境発電装置を製造する方法の一つの実施形態にしたがって、第３二酸化ケイ素層の一部を除去し、圧電スタックの一部及びシリコンウェハの一部を露出した状態にするようにパターン化されている。
（図２３）図２２の層状材料スタックの側面図であり、金属ボンドパッド層が、パターン化された第３二酸化ケイ素層、ならびに、圧電スタック及びシリコンウェハの一部の上に配置されている。
（図２４）図２３の層状材料スタックの側面図であり、金属ボンドパット層の一部を除去するようにパターン化されている。
（図２５）図２４の層状材料スタックの側面図であり、シリコンウェハの一部がエッチングされて、共振梁、ベース及び質量体が作製され、したがって本発明の環境発電装置に使用するカンチレバー構造の一つの実施形態が作製されている。
（図２６）図１１Ａに示す環境発電装置の一部分の側面図である。図２６は、所定位置のコンプライアントストッパ１４Ａを有する図１１Ａの環境発電装置１０の上部を示す。
（図２７Ａ−２７Ｃ）図２６のコンプライアントストッパ１４Ａを有する環境発電装置１０の一部分（すなわち、上部）を形成するためのプロセスのステップを示す側面図である。
（図２８）図１５に示す環境発電装置の一部分の側面図である。図２８は、所定位置のコンプライアントストッパ１４Ａを有する図１５の環境発電装置１０の上部を示す。
（図２９Ａ−２９Ｃ）図２８のコンプライアントストッパ１４Ａを有する環境発電装置１０の一部分（すなわち、上部）を形成するプロセスのステップを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
発明の詳細な説明
本発明は、パッケージ化された圧電式環境発電装置、圧電式環境発電装置を含むシステム、ならびに、圧電式環境発電装置を使用及び作製する方法に関する。本発明の圧電式環境発電装置は、パッケージ上に形成されたコンプライアントストッパを組み込み、カンチレバー／パッケージの相互作用を安定化する機能を提供する。
【００１６】
本発明の一つの態様は、環境発電装置に関し、該装置は、第１及び第２端部間に延び、圧電材料を含む細長い共振梁と、共振梁に第１端部で接続されたベースであって、第２端部はカンチレバーとしてベースから自由に延びている、ベースと、共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、共振梁の第２端部の少なくとも一部を囲むパッケージと、パッケージに接続されたコンプライアントストッパとを含み、ストッパはカンチレバーの動きを安定化させ、破損を防止するように構成される。
【００１７】
図１を参照すると、本発明の環境発電装置の一つの実施形態の側面（または、断面）図が示されている。特に、環境発電装置１０は、圧電材料を含む共振梁１２を有する。共振梁１２は、共振梁１２の第１端部１６と共振梁１２の第２端部１８との間に延びる。ベース２０は、共振梁１２の第２端部１８の少なくとも一部を囲むパッケージを更に形成し、共振梁１２に第１端部１６で接続され、第２端部１８がカンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。環境発電装置１０は、更に、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられた質量体２２を有する。コンプライアントストッパ１４Ａ，１４Ｂがパッケージ２０の内壁２１Ａ，２１Ｂ上に形成され、カンチレバーの動きを安定化させ、カンチレバーの変形及び／または破損を防止するように構成される。
【００１８】
環境発電装置１０はまた、共振梁１２の圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極２４を有する。一つの実施形態によると、電極２４は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択された材料を含むが、電極構造を形成するために好適な他の材料も使用しても良い。加えて、環境発電装置１０は、共振梁１２の圧電材料から電気エネルギを取得するための、一つまたは複数の電極２４と電気的に接続された電気取得回路を更に有しても良い。以下に詳述するように、電気取得回路は電動機器に電気的に連結され、圧電材料から生成され供給された電力をこの機器に提供することが可能である。
【００１９】
環境発電装置１０の共振梁１２は、圧電材料を含む。圧電材料は、機械的な歪みを受けると電気的に分極する材料である。分極の程度は加えられた歪みに比例する。圧電材料は広く知られており、単結晶（例えば、石英）、圧電セラミック（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛またはＰＺＴ）、薄膜（例えば、スパッタ酸化亜鉛）、圧電セラミック粉末をベースとしたスクリーン印刷可能な厚膜（例えば、Ｂａｕｄｒｙの「Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｐｒｏｃ．  ６ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （Ｌｏｎｄｏｎ，  ＵＫ）  ｐｐ．  ４５６−６３  （１９８７）、及び、Ｗｈｉｔｅ  ＆  Ｔｕｒｎｅｒの「Ｔｈｉｃｋ−ｆｉｌｍ  Ｓｅｎｓｏｒｓ：Ｐａｓｔ，Ｐｒｅｓｅｎｔ  ａｎｄ  Ｆｕｔｕｒｅ」、Ｍｅａｓ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  ８：１−２０（１９９７）を参照、これらは参照により、その全てが本明細書に包含される）、及び、ポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）等のポリマー材料（例えば、Ｌｏｖｉｎｇｅｒの「Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２２０：１１１５−２１（１９８３）参照、これは、参照により、その全体が本明細書に包含される）を含む多くの形態で利用可能である。
【００２０】
圧電材料は、典型的には、異方性特質を示す。したがって、材料の特性は、力の方向、ならびに、分極及び電極の向きによって異なる。材料の圧電活性のレベルは、表記の軸と共に使用される一連の定数で定義される。圧電歪み定数ｄは、
2017506491.tif 000004
として定義される。（Ｂｅｅｂｙら、「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｍｅａｓ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １７：Ｒ１７５−Ｒ１９５（２００６）、これは、参照により、その全体が本明細書に包含される。）
【００２１】
本発明の環境発電装置では、共振梁１２は第２端部１８を有し、これは、カンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。圧電材料を含むカンチレバー構造は、曲げモードで作用するように設計され、これにより、圧電材料を歪ませ、ｄ効果（Ｂｅｅｂｙら、「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｍｅａｓ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １７：Ｒ１７５−Ｒ１９５（２００６）、これは、参照により、その全体が本明細書に包含される）から電荷が生成される。カンチレバーは、低い共振周波数を提供し、これは、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられた質量体２２の存在により、更に低下する。
【００２２】
本発明の環境発電装置１０の共振梁１２の共振周波数は、作動中、約５０Ｈｚから約４，０００Ｈｚ、約１００Ｈｚから約３，０００Ｈｚ、約１００Ｈｚから約２，０００Ｈｚ、または、約１００Ｈｚから約１，０００Ｈｚの周波数を含んでも良い。
【００２３】
一つの実施形態によると、共振梁１２は、その少なくとも一つが圧電材料を含む複数の層から形成される積層体を含む。好適な圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びチタン酸ジルコン酸鉛をベースとした複合材を含むが、これに制限されない。他の非圧電材料は、圧電材料の層と共に層として使用しても良い。他の層の非制限的な例は、図１７の層状材料スタック（５０）に関して後述するものを包含する。
【００２４】
共振梁１２は、共振梁１２の調整を支援し、構造的サポートを提供するために、種々の形状及び構造を取る側壁を有しても良い。一つの実施形態によると、参照によりその全体が本明細書に包含される米国特許出願番号１４／１４５５３４号に記載されるように、共振梁１２は、共振梁１２の平面内で連続的に湾曲する側壁を有する。
【００２５】
本発明の環境発電装置１０は、共振梁１２の第２端部１８に質量体２２を有する。質量体２２は、共振梁１２の周波数を下げるため、さらに共振梁１２の電力出力（すなわち、圧電材料で生成された）を増大するために設けられる。質量体２２は、単一材料または複数の材料（例えば、層状材料）で構築しても良い。一つの実施形態によると、質量体２２は、シリコンウェハ材料から形成される。他の好適な材料は、電気メッキまたは熱蒸着で付着させた銅、金、及び、ニッケルを包含するが、これに制限するものではない。
【００２６】
一つの実施形態では、１つの共振梁１２につき単一の質量体２２が設けられる。しかし、２つ以上の質量体２２を共振梁１２に取り付けても良い。他の実施形態では、例えば質量体２２が共振梁１２に沿って異なる位置に設けられる。
【００２７】
本発明の環境発電装置のコンプライアントストッパは、種々の材料で構成しても良い。ストッパは、材料の選択、デザイン、または、材料の選択とデザインとの双方を通じて弾力性にしても良い。一つの実施形態によると、ストッパはパッケージと一体の材料で形成される。この実施形態による適切な材料には、ガラス、金属、シリコン、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）による酸化物若しくは窒化物、または、これらの組み合わせが含まれても良いが、これに制限するものではない。他の実施形態によると、ストッパはパッケージと一体ではない。この実施形態によるストッパのための適切な材料には、ガラス、金属、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびに、これらの組み合わせが含まれても良いが、これに制限するものではない。コンプライアントストッパに適切な他の材料には、シクロオレフィンポリマー及び液晶ポリマー等の水透過率の低いポリマーが含まれても良いが、これに制限するものではない。液晶ポリマーは射出成形可能である。
【００２８】
本発明の環境発電装置１０は、一体化されて自己パッケージ化されたユニットの状態で形成されても良い。特に、共振梁１２の第１端部１６に取付けられるベースも形成するパッケージ２０は、カンチレバー構造（すなわち、共振梁１２及び質量体２２）を囲むように示してあり、したがって、カンチレバー構造を（少なくとも部分的に）を包囲する。本発明では、パッケージは、環境発電装置を完全に包囲することが可能であり、または、環境発電装置を大気に対して通気するように形成することが可能である。環境発電装置を完全に包囲したときに、包囲されたパッケージ内の圧力は、大気圧より高いか、大気圧と等しいか、または、大気圧より低くても良い。一つの実施形態では、包囲されたパッケージ内の大気は、大気未満、例えば１Ｔｏｒｒよりも低い。
【００２９】
当業者であれば容易に理解されるように、共振梁１２は、共振梁１２の断面形状、共振梁１２の断面寸法、共振梁１２の長さ、質量体２２の質量、共振梁１２上の質量体２２の位置、及び、共振梁１２を作製するために使用する材料等の多数のパラメータの任意の一つまたは複数を変更することにより調整することができる。
【００３０】
作動中、一つまたは複数の電極２４は、共振梁１２が動かされるため、共振梁１２の圧電材料から電荷を取得する。したがって、電極２４は、共振梁１２の圧電材料と電気的に接続されている。
【００３１】
共振梁１２の圧電材料から収集された電気エネルギは、次に、電気取得物へと伝達される。一つの実施形態では、電気取得回路は環境発電装置に一体化される。他の実施形態では、電気取得回路は環境発電装置に一体化されない。例えば、電気取得回路は別個のチップ若しくは基板であっても良く、または、別個のチップ若しくは基板に設けられる。
【００３２】
図２Ａ，２Ｂに、従来技術による環境発電装置を示す。特に、図２Ａでは、環境発電装置はパッケージの内壁上にストッパ構造を有しない。したがって、カンチレバー構造（共振梁１１２の端部１１８）は、撓む際に共振梁を囲むパッケージの内壁１２１Ａに接触し、その結果カンチレバー１１２は変形する。このタイプの変形は、カンチレバー１１２の破損を招くことがある。図２Ｂでは、環境発電装置は、パッケージの２つの対向する内壁上にストッパ構造２１４Ａ，２１４Ｂを有する。しかし、ストッパ構造２１４Ａ，２１４Ｂは、共振梁２１２に（第２端部２１８で）接触したときに形状の変形が生じること（弾力性）のない、剛性の非弾力性材料で形成される。
【００３３】
図３Ａ，３Ｂは、図２Ａに示す従来技術の環境発電装置のカンチレバー構造のＧ加速度プロファイル（図３Ｂ）を示す。図３Ａに示すように、カンチレバー（共振梁２１２）は、パッケージの内壁上に位置するストッパ２１４Ａに接触する。ストッパ２１４Ａは弾力性が最小であるかまたは弾力性を有さず（すなわち、剛性）、これは、図３ＢのＧ加速度対時間の曲線に示す高くかつ狭いピークを説明する。
【００３４】
対照的に、本発明の環境発電装置の一つの実施形態のＧ加速度プロファイルを図４Ａ，４Ｂに示す。特に、環境発電装置１０は第１端部１６及び第２端部１８を有する共振梁１２を有し、パッケージ２０の内壁２１Ａ上に位置するコンプライアントストッパ１４Ａに接触する。コンプライアントストッパ１４Ａは、弾力性材料で構成されることにより、または、共振梁１２の第２端部１８と接触したときに自身の位置を調節することができることにより、弾力性である。ストッパ１４Ａの弾力性は、図４ＢのＧ加速度対時間曲線の比較的低くかつ広いピークに反映されている（図３Ｂと比較）。
【００３５】
一つの実施形態では、Ｇ加速度プロファイルは、インパクトのパルス幅、及びそれに続いて、パッケージとのインパクトの際に共振梁（または質量体）が受ける加速度レベルを調整するような、コンプライアントストッパの特定の材料及びデザインの選択において考慮される。この受ける加速度の低下は、本発明のパッケージ化された環境発電装置の頑健性を、特に、低圧環境でパッケージ化されたときに、なお増大することになる。
【００３６】
本発明の環境発電装置に使用するコンプライアントストッパは、複数の形態をとることが可能である。例えば、パッケージ内に配置されるインサートとすることが可能であるし、または、パッケージと一体とすることが可能である。環境発電装置が受ける加速度の調整を、ストッパのデザインのみを通して、または、材料の適当な選択を通して実現することが可能である。後者は、ストッパがパッケージ内にインサートとして配置される場合に特に有用である。
【００３７】
コンプライアントストッパのデザインの種々の非制限的実施形態を図５〜１４に示す。図５，図７には、支柱の形態のコンプライアントストッパ１４Ａの２つの異なる実施形態の側面図が図示されている。図５では、ストッパ１４Ａは、カンチレバーに接触する端部よりも一端（すなわち、パッケージの内壁２１Ａに対する取付点）が狭い。図７では、ストッパ１４Ａは、高アスペクト比の特徴があり、少なくとも約２：１の高さ：幅を有する。
【００３８】
図６Ａ，６Ｂでは、球（図６Ａ）及び半球（図６Ｂ）の形態のコンプライアントストッパ１４Ａの２つの異なる実施形態を側面図で示す。他の実施形態によると、コンプライアントストッパ１４Ａは、円筒、ロッドまたは部分的な円筒（すなわち、部分円筒）の形態とすることができる。図６Ａ，６Ｂに示す特定の実施形態によると、ストッパ１４Ａは、コア１７及び外側カバー１５を含む２つの材料から構成され、これらは同じ材料でも良く、または、同じ材料でなくても良く、ストッパ１４Ａの弾力特性を調整するために用いられる。
【００３９】
図８Ａ〜８Ｅに、コンプライアントストッパ１４Ａの５つの異なる実施形態の前面図を示す。特に、図８Ａのコンプライアントストッパ１４Ａは、内壁２１Ａに取り付けられたコンプライアントストリップの形態である。図８Ｂのコンプライアントストッパ１４Ａは、内壁２１Ａに取り付けられた複式コンプライアント懸垂ストリップ１９Ａ，１９Ｂの形態である。一つの実施形態によると、複式コンプライアント懸垂ストリップは単一の材料または複数の材料で構成しても良い。一つの実施形態では、懸垂ストリップ１９Ａ及び／または懸垂ストリップ１９Ｂは、懸垂垂直支柱のための１つの材料と、水平ストリップのためのもう１つの材料といった、２つの材料で構成される。図８Ｃのコンプライアントストッパ１４Ａは、内壁２１Ａに取り付けられた複式構造の形態である。
【００４０】
図８Ｄ，８Ｅは、コンプライアントストッパ１４Ａの２つの異なる実施形態が、内壁２１Ａに取り付けられたコンプライアント懸垂梁の形態で示されている。図８Ｄ及び図８Ｅの双方のストッパ１４Ａは、単一または複数の材料で構成し、所望の弾力性の程度に調整しても良い。一つの実施形態によると、図８Ｄまたは図８Ｅのストッパ１４Ａの全体が弾力性材料で形成される。他の実施形態によると、図８Ｄまたは図８Ｅのストッパ１４Ａの一部のみが弾力性材料で形成される。例えば、水平の梁は、剛性材料であり、一方、水平の梁を懸垂する垂直の支柱の一方または双方が弾力性材料で形成されても良く、逆もまた同様である。
【００４１】
本発明の環境発電装置の一つの実施形態を図９Ａ，９Ｂに示す。特に、図９Ａでは、環境発電装置１０は、圧電材料を含む共振梁１２を有する。共振梁１２は、共振梁１２の第１端部１６と、共振梁１２の第２端部１８との間に延びる。また、ベース２０は、共振梁１２の第２端部１８を囲むパッケージを更に形成し、第１端部１６で共振梁１２に接続され、第２端部１８は、カンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。環境発電装置１０はまた、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられた質量体２２を有する。コンプライアントストッパ１４Ａ，１４Ｂは、それぞれパッケージ２０の内壁２１Ａ，２１Ｂ上に形成される。図９Ｂは、カンチレバー構造（特に、共振梁１８の第２端部１８）とコンプライアントストッパ１４Ａとの相互作用を示す。特に、共振梁１２の第２端部１８は、コンプライアントストッパ１４Ａと接触するのに十分な距離、上方に湾曲し、このとき、コンプライアントストッパ１４Ａは、共振梁１２の第２端部１８との接触に応じて内壁２１Ａに対するその垂直位置を調整することが示されている。したがって、コンプライアントストッパ１４Ａは、共振梁１２がパッケージ２０（特に、内壁２１Ａ）のいかなる他の部分と接触するのを防止し、また、環境発電装置１０の受けるＧ加速度プロファイルを変更する（図３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂ参照）。同様の方法で、コンプライアントストッパ１４Ｂは、共振梁１２（及び質量体２２）がパッケージ２０（特に、内壁２１Ａと反対側の内壁２１Ｂ）のいかなる他の部分と接触するのを防止する。ストッパ１４Ａ，１４Ｂとカンチレバーとの相互作用は、共振梁１２の動きを安定化させ、振動の際の共振梁１２の変形及び／または破損を防止する。
【００４２】
本発明の環境発電装置の他の実施形態を図１０Ａ，１０Ｂに示す。特に図１０Ａでは、環境発電装置１０は、圧電材料を含む共振梁１２を有する。共振梁１２は、共振梁１２の第１端部１６と共振梁１２の第２端部１８との間に延びる。ベース２０は、共振梁１２の第２端部１８を囲むパッケージを更に形成し、第１端部１６で共振梁１２に接続され、第２端部１８はカンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。環境発電装置１０はまた、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられた質量体２２を有する。コンプライアントストッパ１４Ａ（１），１４Ａ（２）及び１４Ｂ（１），１４Ｂ（２）は、それぞれパッケージ２０の内壁２１Ａ，２１Ｂ上に形成される。図１０Ｂは、カンチレバー構造（特に、共振梁１８の第２端部１８）とコンプライアントストッパ１４Ａ（１），１４Ａ（２）との相互作用を示す。特に、共振梁１２の第２端部１８は、コンプライアントストッパ１４Ａ（１），１４Ａ（２）と接触するのに十分な距離、上方に湾曲し、このとき、コンプライアントストッパ１４Ａ（１），１４Ａ（２）は、共振梁１２の第２端部１８との接触に応じて内壁２１Ａに対するその垂直位置を調整することが示されている。したがって、コンプライアントストッパ１４Ａ（１），１４Ａ（２）は、共振梁１２がパッケージ２０（特に内壁２１Ａ）のいかなる他の部分に接触するのを防止し、また、環境発電装置１０が受けるＧ加速度プロファイルを変更する（図３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂ参照）。同様の方法で、コンプライアントストッパ１４Ｂ（１），１４Ｂ（２）は、共振梁１２（及び質量体２２）がパッケージ２０（特に、内壁２１Ａと反対側の内壁２１Ｂ）のいかなる他の部分に接触するのを防止する。カンチレバーとストッパ１４Ａ（１），１４Ａ（２）及び１４Ｂ（１），１４Ｂ（２）との相互作用は、共振梁１２の動きを安定化させ、振動の際の共振梁１２の変形及び／または損傷を防止する。
【００４３】
本発明の環境発電装置の更に他の実施形態を図１１Ａ，１１Ｂに示す。特に、図１１Ａでは、環境発電装置１０は、圧電材料を含む共振梁１２を有する。共振梁１２は、共振梁１２の第１端部１６と共振梁１２の第２端部１８との間に延びる。ベース２０は、共振梁１２の第２端部１８を囲むパッケージを更に形成し、共振梁１２に第１端部１６で接続され、第２端部１８は、カンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。環境発電装置１０はまた、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられた質量体２２を有する。コンプライアントストッパ１４Ａ，１４Ｂは、パッケージ２０の内壁２３上に形成される。特に、コンプライアントストッパ１４Ａは内壁２３上の共振梁１２より上側に位置するよう示され、コンプライアントストッパ１４Ｂは内壁２３上の共振梁１２より下側に位置するよう示される。例えば図９Ａ，９Ｂ及び１０Ａ，１０Ｂに示す実施形態とは異なり、図１１Ａ，１１Ｂに示す本発明の環境発電装置の特定の実施形態において、パッケージ２０の対向する内壁２１Ａ，２１Ｂ上に形成されるコンプライアントストッパは無い。図１１Ｂは、コンプライアントストッパ１４Ａとカンチレバー構造（特に、共振梁１８の第２端部１８）との相互作用を示す。特に、共振梁１２の第２端部１８は、コンプライアントストッパ１４Ａに接触するのに十分な距離、上方に湾曲し、このとき、コンプライアントストッパ１４Ａは、共振梁１２との接触に応じて内壁２３に対するその垂直位置を調整することが示されている。したがって、コンプライアントストッパ１４Ａは、共振梁１２がパッケージ２０（特に内壁２１Ａ）のいかなる他の部分に接触するのを防止し、また、環境発電装置１０が受けるＧ加速度プロファイルを変更する（図３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂ参照）。同様の方法で、コンプライアントストッパ１４Ｂは、共振梁１２（及び質量体２２）がパッケージ２０（特に、内壁２１Ａの反対側の内壁２１Ｂ）のいかなる他の部分と接触するのを防止する。カンチレバーとストッパ１４Ａ，１４Ｂとの相互作用は、共振梁１２の動きを安定化し、振動中の共振梁１２の変形及び／または損傷を防止する。
【００４４】
本発明の環境発電装置の更なる実施形態を図１２Ａ，１２Ｂに示す。特に、図１２Ａでは、環境発電装置１０は、圧電材料を含む共振梁１２を有する。共振梁１２は、共振梁１２の第１端部１６と共振梁１２の第２端部１８との間に延びる。ベース２０は、共振梁１２の第２端部１８を囲むパッケージを更に形成し、共振梁１２に第１端部１６で接続され、第２端部１８はカンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。環境発電装置１０はまた、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられた質量体２２を有する。コンプライアントストッパ１４Ａ，１４Ｂは、パッケージ２０の内壁２３上に形成される。特に、コンプライアントストッパ１４Ａは、内壁２３上で共振梁１２より上側に位置し、部分２５Ａが共振梁１２に向けて形成されるよう示され、コンプライアントストッパ１４Ｂは、内壁２３上で共振梁１２より下側に位置し、部分２５Ａが共振梁１２に向けて形成されるよう示される。図１２Ｂは、カンチレバー構造（特に、共振梁１８の第２端部１８）とコンプライアントストッパ１４Ａとの相互作用を示す。特に、共振梁１２の第２端部１８は、コンプライアントストッパ１４Ａの部分２５Ａに接触するのに十分な距離、上方に湾曲し、このとき、コンプライアントストッパ１４Ａは、共振梁１２との接触に応じて内壁２３に対するその垂直位置を調整することが示されている。したがって、コンプライアントストッパ１４Ａは、共振梁１２がパッケージ２０（特に内壁２１Ａ）のいかなる他の部分と接触するのを防止する。同様に、コンプライアントストッパ１４Ｂは、共振梁１２（及び質量体２２）がパッケージ２０（特に、内壁２１Ａと反対側の内壁２１Ｂ）のいかなる他の部分と接触するのを防止し、また、環境発電装置１０が受けるＧ加速度プロファイルを変更する（図３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂ参照）。カンチレバーとコンプライアントストッパ１４Ａ，１４Ｂの部分２５Ａ，２５Ｂとの相互作用は、それぞれ共振梁１２の動きを安定化し、振動中の共振梁１２の変形及び／または損傷を防止する。
【００４５】
図１１Ａ，１１Ｂ及び図１２Ａ，１２Ｂに示す環境発電装置１０の特定の実施形態に示すように、コンプライアントストッパは、パッケージ上に、静止状態のカンチレバーに平行に形成しても良い。本実施形態によるコンプライアントストッパの種々の実施形態を図１３Ａ〜１３Ｃに示す。図１３Ａは、直線状の梁として形成されたコンプライアントストッパである。図１３Ｂ，１３Ｃでは、部分２５Ａがコンプライアントストッパ１４Ａ上に形成される。図１３Ｃは、側面図である図１３Ｂのコンプライアントストッパの前面図である。部分２５Ａは、コンプライアントストッパ１４Ａに使用したものと同じまたは異なる材料で構成しても良い。
【００４６】
図１４Ａ，１４Ｂは、本発明の環境発電装置の一つの実施形態を示し、そのコンプライアントストッパに弾力性材料を組み込んでいる。特に、図１４Ａ，１４Ｂでは、環境発電装置１０は、圧電材料を含みかつ第１端部１６及び第２端部１８を有する共振梁１２を有する。パッケージ２０として形成されたベース２０は、第１端部１６で共振梁１２に接続され、第２端部１８がカンチレバーとしてベース２０から自由に延びる。質量体２２は、共振梁１２の第２端部１８に取り付けられる。パッケージ２０は共振梁１２を囲む。（支柱の形態の）コンプライアントストッパ１４がパッケージ２０の内壁２１上に形成される。コンプライアントストッパ１４は、共振梁１２に接触したときに変形してカンチレバーの動きを安定化させ、カンチレバーの損傷及び／または変形を防止し、かつ環境発電装置１０が受けるＧ加速度プロファイル（図３Ａ，３Ｂ及び４Ａ，４Ｂ参照）を変更する、弾力性材料で構成される。図１４Ａは、カンチレバーがコンプライアントストッパ１４に衝突する前の環境発電装置１０を示し、図１４Ｂは、カンチレバーがコンプライアントストッパ１４に衝突した後の環境発電装置１０を示す。コンプライアントストッパ１４は、内壁２１に対するその位置を調整する代わりに、カンチレバーの衝撃を吸収する。
【００４７】
図１４Ｃは、図１４Ａ，１４Ｂと比較してコンプライアントストッパ１４及びベース／パッケージ２０の代替的な実施形態を示す。特に、図１４Ｃでは、コンプライアントストッパ１４は共振梁１２に接触したときに、僅かに移動して弾性応答を生じる。更に、共振梁１２の第１端部１６は、パッケージ２０とは別個の構造であるがパッケージ２０に接続されるベース１９に取り付けられる。
【００４８】
本発明の環境発電装置の一つの実施形態によると、少なくとも１つのコンプライアントストッパがパッケージの１つの内壁上に組み込まれる。多くの場合、２つ以上のコンプライアントストッパが本発明の環境発電装置のパッケージに含まれることになる。典型的には、最低でも２つのコンプライアントストッパが含まれ、そのため、カンチレバー構造は、振動中にカンチレバーが上昇したときに一方のコンプライアントストッパに接触し、振動中にカンチレバーが降下したときに他方のコンプライアントストッパに接触する。２つ以上のコンプライアントストッパを使用することが可能であり、コンプライアントストッパは、カンチレバーの長さ方向の２つ以上の位置で、共振梁及び／または質量体に接触するよう構成されることが可能である。２つ以上のコンプライアントストッパが単一の環境発電装置に使用されるとき（例えば、頂壁上の１つのコンプライアントストッパ、及び、底壁上の１つのコンプライアントストッパ）、コンプライアントストッパは、必ずしも同じ材料で構成されなくてもよく、また必ずしも同じ幾何学構造を有しなくてもよい。
【００４９】
一つの実施形態によると、本発明の環境発電装置の設計の際、コンプライアントストッパは、カンチレバーと質量体を加えた梁全体のトルクがゼロとなるような地点で質量体と接触するように配置される。例えば、図１５に示すように、環境発電装置１０の記号は、
2017506491.tif 000005
の式にしたがってトルクバランスを最適とするための、パッケージ壁上のストッパの位置決めを示す。
【００５０】
一つの実施形態によると、ＸＬは、カンチレバーの質量体上の地点であり、ここで、コンプライアントストッパは質量体と接触する。したがって、一つの実施形態によると、ＸＬは、カンチレバーとコンプライアントストッパとの単一の接触点のためのトルク中立位置である。コンプライアントストッパがトルク中立位置でカンチレバーに接触すると、接触による環境発電装置の動きはかなり減少し、この結果、より頑健なカンチレバーの動きとなる。
【００５１】
本発明の他の態様は、電動機器及び電動機器に電気的に連結された本発明の環境発電装置を含むシステムに関する。
【００５２】
図１６に移ると、環境発電装置１０を（電動機器の外側ハウジング内に）含む電動機器（スマートフォン）３２が示される。本実施形態によると、環境発電装置１０はスマートフォン３２に電力を供給する独立したエネルギ源を提供し、これは、他の独立したエネルギ源（例えば、バッテリ）に代えて、または、それと併用して用いられる。代替的な実施形態では、電動機器は、例えば、タブレット、ＰＣ、及び／または、スマートフォンと電子通信する腕時計タイプの装置またはネックレス等のウェアラブルデバイスである。
【００５３】
本発明の環境発電装置はまた、電動機器に設けられたバッテリを充電することにより、電動機器に電力を供給しても良い。例えば、環境発電装置は、電動機器に電力を供給するバッテリをトリクル充電しても良い。
【００５４】
電動機器及び本発明の環境発電装置を含む本発明の他のシステムには、ラップトップコンピュータ；タブレットコンピュータ；携帯電話；電子ブックリーダ；ＭＰ３プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲーム装置；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；カメラ；無線センサ；タブレット、ＰＣ及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；無線センサモート（産業、鉄道、建物、農業等をモニタリングするネットワーク用）；タイヤ空気圧センサモニタ；（例えば、動力工具の）電子ディスプレイ；家畜をモニタリングするための農業装置；医療装置；人体モニタリング装置；及び、おもちゃが挙げられるが、これに制限するものではない。
【００５５】
例えば、一つの実施形態によると、本発明のシステムは、例えば種々の環境特性（温度、湿度、光、音、振動、風、動き等）の一つまたは複数をモニタするためのセンサを含む無線センサ装置である。本発明の環境発電装置は、センサに連結され、このセンサに電力を提供する。
【００５６】
一つの実施例によると、本発明のシステムは、タイヤ空気圧をモニタするセンサを含むタイヤ空気圧モニタリングシステムである。本発明の環境発電装置はセンサに連結され、電力を提供する。このようなシステムは、例えば、自動車のホイールまたはタイヤに装着される小さな装置として形成しても良い。
【００５７】
他の実施例によると、本発明のシステムは、家庭用または商用の衣類乾燥器の電子コントローラと通信する湿度センサである。本発明の環境発電装置は、センサに連結され、電力を提供する。このようなシステムは、例えば衣類乾燥器の内側に装着し、衣類乾燥器内の湿度レベルに基づいて衣類の乾燥をモニタする小さな装置として形成しても良い。代替的に、本装置は衣類乾燥器の内側に装着するのではなく、例えば、衣類と共に乾燥器内に投入可能な装置（例えば、ボール）である。センサは、この後、衣類乾燥器の電子コントローラと通信し、例えばサイクルの終わりを決定することができる。
【００５８】
本発明の更なる態様は、電動機器に電力を供給する方法に関する。この方法は、本発明のシステムを準備する工程と、このシステムを運動または振動に供して、圧電材料から電気エネルギを生成する工程と、圧電材料からの電気エネルギを機器に伝達して機器に電力を提供する工程とを含む。
【００５９】
本発明の環境発電装置は、以下に説明する方法にしたがって作製しても良い。一つの実施形態によると、環境発電装置を製造する方法は、第１及び第２面を有するシリコンウェハを準備する工程と、シリコンウェハの第１面上に第１二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層を配置する工程と、第１二酸化ケイ素層上にカンチレバー材料を配置する工程と、カンチレバー材料の上に第２二酸化ケイ素層を配置する工程と、第２二酸化ケイ素層上に圧電スタック層を配置する工程と、圧電スタック層をパターニングする工程と、第２二酸化ケイ素層とカンチレバー材料と第１二酸化ケイ素層とをパターニングする工程と、シリコンウェハの第２面をエッチングして環境発電装置を製造する工程とを含む。
【００６０】
一つの実施形態によると、この方法は更に、第３二酸化ケイ素層を、パターン化された圧電スタック層、ならびにパターン化された第２二酸化ケイ素層、カンチレバー材料、及び第１二酸化ケイ素層上に配置する工程と、第３二酸化ケイ素層をパターニングする工程とを含んでも良い。他の実施形態によると、本発明の方法は、更に、パターン化された第３二酸化ケイ素層上に金属ボンドパッド層を配置する工程と、金属ボンドパッド層をパターニングする工程とを含んでも良い。
【００６１】
図１７を参照すると、本発明の環境発電装置を製造する方法の一つの実施形態は、層状材料スタック５０を形成することを包含し、これは、本明細書に記載されるような環境発電装置を形成するためにパターン化される層状材料のスタックである。層状材料スタック５０は次の層状材料：シリコンウェハ５２（これは第１面５１と第２面５３とを有する）、第１二酸化ケイ素層５４、カンチレバー材料５６、第２二酸化ケイ素層５８、接着層６０（これは任意である）、及び、圧電スタック層６１（第１金属層６２、圧電材料層６４及び第２金属層６６を含む）を有する。
【００６２】
図１７に示すように、本発明の環境発電装置を形成する方法は、第１面５１と第２面５３とを有するシリコンウェハ５２を準備する工程と、シリコンウェハ５２の第１面５１上に第１二酸化ケイ素層５４を配置する工程と、第１二酸化ケイ素層５４上にカンチレバー材料５６を配置する工程と、カンチレバー材料５６上に第２二酸化ケイ素層５８を配置する工程と、第２二酸化ケイ素層５８上に任意の接着層６０を配置する工程と、第２二酸化ケイ素層５８上に圧電スタック層６１を配置する工程により、層状材料スタック５０を形成することを包含する。
【００６３】
一つの実施形態によると、シリコンウェハ５２は、単結晶の両面研磨シリコンウェハである。一つの実施形態では、シリコンウェハ５２は、約４００μｍから約１，０００μｍ、約５００μｍから約９００μｍ、約６００μｍから約８００μｍ、または、約７００μｍの厚さを有する。一つの特定の実施例では、シリコンウェハ５２は、両面研磨したシリコンウェハであり、厚さが約７２５μｍ（＋／−１５μｍ）（すなわち、２００ｍｍウェハに対する標準厚さ）である。代替的に、シリコンウェハ５２の代わりに、本発明の方法は、配置された二酸化ケイ素の層で開始しても良く、この上に層状材料スタック５０の後の層が形成される。
【００６４】
一つの実施形態にしたがって、第１二酸化ケイ素層５４は熱酸化物層である。二酸化ケイ素層５４は、カンチレバー材料５６を取り除く背部側エッチストップのためのエッチストップを提供し、また、質量体がシリコンで作製される場合は、質量体を画定する。一つの実施形態では、第１二酸化ケイ素層５４が約０．２５μｍから約２μｍの厚さを有する。第１二酸化ケイ素層５４をシリコンウェハ５２上に配置することは、当技術分野で公知の方法で実行することができる。例えば、二酸化ケイ素を熱成長させ、この後、シリコンウェハ上に配置しても良い。一つの特定の実施例では、１μｍ（＋／−０．０５μｍ）の熱成長させたＳｉＯ２が、シリコンウェハ５２上に配置され、二酸化ケイ素層５４を形成する。
【００６５】
カンチレバー材料５６は、シリコン、ポリシリコン（ｐｏｌｙＳｉ）、金属（例えば、ＣｕまたはＮｉ）または他の金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）適合性材料、または、ポリイミド等の高温ポリマー等の任意の適切な材料で良い。一つの実施形態では、カンチレバー材料５６は、第１二酸化ケイ素層５４上に化学気相成長法により、厚さが約１０μｍから約２００μｍ、約１０μｍから約７５μｍ、または、約１０μｍから約５０μｍの範囲で蒸着される。蒸着の後、例えば化学的機械的研磨により、カンチレバー材料５６の表面を滑らかにすることが望ましいことがある。
【００６６】
一つの実施形態によると、第２二酸化ケイ素層５８は、高温酸化物層である。この層は、圧電スタック層６１をその上に十分に接着することが可能な表面、及び、圧電スタック層６１の底部電極をパターニングするためのエッチストップを提供する。一つの実施形態では、第２二酸化ケイ素層５８がカンチレバー材料５６上に化学気相成長法により、約１μｍの厚さで蒸着される。
【００６７】
圧電スタック層６１は、第２二酸化ケイ素層５８上に配置されて、金属／圧電材料／金属の層を形成する。一つの実施形態によると、圧電スタック層６１は、約０．５μｍから約６μｍ、または、約２μｍから約５μｍの厚さを有する。第１金属層６２及び第２金属層６６は、電極として適切に機能する任意の適切な金属で形成しても良い。一つの実施形態によると、これらの層は、モリブデンまたはプラチナ等の同じ材料で形成される。しかし、双方の層が同じ材料で形成される必要はない。圧電材料層６４は、上述のような任意の適切な圧電材料で形成される。一つの実施形態によると、この層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。
【００６８】
圧電スタック層６１の配置は、当技術分野で標準的であるように、下側の薄い接着層６０を用いて実行しても良い。適切な接着層６０は、チタン、ＡｌＮ、Ａｌ：Ｃｕ、または、Ａｌ等の約０．０２μｍから約０．０５μｍの厚さの材料を含んでも良い。
【００６９】
本発明の環境発電装置を作製する方法の一つの実施形態は、図１８〜２５に示すように進行する。最初に、図１８，１９に示すように、圧電スタック層６１がパターン化される。特に、圧電材料層６４及び第２金属層６６の一部分（例えば、部分６８，７０）が、スタック５０から除去され、第１金属層６２を露出する。
【００７０】
本発明の方法による圧電スタック層６１のパターニングは、金属層に対するリン酸及びテトラメチルアンモニウムヒドロキシドによるウェットエッチングと組み合わせたリソグラフィ技術を用いて達成しても良い。層のウェットエッチングまたはドライエッチング用の他の適切な化学物質も、当業者によって一般的に使用されており、本発明の方法の実行に使用しても良い。
【００７１】
一つの実施形態によると、圧電スタック層６１のパターニングは、第２金属層６６及び圧電材料層６４の一部を除去し、第１金属層６２をパターニングしてその一部（例えば、部分７２）を除去し、その他の部分を電極として露出した状態にすることを包含する。電極のパターニングは、リン酸ウェットエッチングまたは塩素若しくはフッ素ガスによるプラズマ（ドライ）エッチングを使用して実行しても良い。接着層が存在する場合は、接着層はウェットエッチングに基づくアンモニア過酸化物（例えば、チタン接着層用）で除去しても良い。
【００７２】
次に、第２二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６及び第１二酸化ケイ素層５４がパターン化される。この方法のステップを、図２０に示す。一つの実施形態によると、二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６及び第１二酸化ケイ素層５４のパターニングは、第２二酸化ケイ素層５８の一部、カンチレバー材料５６の一部及び第１二酸化ケイ素層５４の一部を除去し、シリコンウェハ５２の第１面５１の部分７８を露出した状態にすることを包含する。
【００７３】
第２二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６及び第１二酸化ケイ素層５４のパターニングは、更に、第２二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６及び第１二酸化ケイ素層５４の対向する側壁を除去し、側壁を有するカンチレバー材料層を形成することを包含しても良い。
【００７４】
一つの実施形態によると、このパターニングは、ドライプロセスで完全に行っても良い。例えば、酸化物に対してはフッ素ＣＨＦ３／ＣＦ４ガス及び反応性イオンエッチング、ポリシリコンに対してはＳＦ６／Ｃ４Ｆ８深反応性イオンエッチング。Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉ等の金属に対しては、当技術分野で周知のウェットエッチングプロセスを使用することができる。代替的に、Ｃｕ、ＮｉまたはＡｕが、シリコン層のパターニングの後に電気メッキを介して添加される。
【００７５】
図２１に示す更なる（任意の）方法のステップは、第３二酸化ケイ素層５９が、パターン化された圧電スタック層６１、ならびにパターン化された第２二酸化ケイ素層５８、カンチレバー材料５６、及び第１二酸化ケイ素層５４の上に配置される。一つの実施形態によると、このステップは、不動態化層用シリコンを配置するために、シラン（シリコン源）のプラズマ強化化学気相成長法を使用して、実行される。この層は、約１μｍの厚さで配置しても良い。他の実施形態によると、第３二酸化ケイ素層の配置は任意のステップであり、摩耗に対する構造体の頑健性を提供する。
【００７６】
図２２に示す次の方法のステップでは、存在する場合は、第３二酸化ケイ素層５９がパターン化される。一つの実施形態によると、このステップは、第３二酸化ケイ素層５９の一部を除去し、圧電スタック層６１の部分６８，６９及びシリコンウェハの部分７８を露出した状態にすることを包含する。一つの実施形態によると、このパターニングは、ＣＨＦ３反応性イオンエッチングプロセスを使用して実行される。
【００７７】
更なる（任意の）方法のステップが図２３に記載されており、これは、パターン化された第３二酸化ケイ素層５９ならびに圧電スタック層６１の部分６８及びシリコンウェハ５２の部分７８の上に配置した金属ボンドパッド層８０を示す。ボンドパッド層８０は、装置に頑健なワイヤボンドの形成を可能とする面を提供し、良好な電気接触を確実にする。一つの実施形態によると、金属ボンドパッド層８０は、約１μｍの厚さで配置され、金属材料（例えば、Ａｌ）である。この層は、ワイヤボンドの信頼性を改善するために配置される。
【００７８】
図２４は、次の方法のステップを示し、これは、存在する場合、金属ボンドパッド層８０をパターニングすることを包含する。一つの実施形態によると、金属ボンドパッド層８０は、頂部及び底部電極接続部の開口よりも僅かに長くパターン化されている。一つの実施形態では、金属ボンドパッド層８０のパターニングは、リン酸に基づくウェットエッチング化学を使用して行われる。しかし、他の方法を使用しても良い。
【００７９】
次のプロセスのステップが図２５に示され、ここでは、シリコンウェハ５２が面５３でエッチングされ、共振梁１２、ベース２０、質量体２２及びストッパ１４を作製し、したがって、本発明の環境発電装置の一つの実施形態を製造する。換言すると、シリコンウェハ５２の一部はエッチングで除去され、共振梁１２となる部位の下側にキャビティ８２を生成し、ベース２０となるシリコンウェハ５２の部分と質量体２２となるシリコンウェハ５２の部分との間に分離部を生成する。同様に、シリコンウェハ５２の一部がエッチングで除去されてストッパ１４を生成し、これは質量体５２の縁部を超えて延びる共振梁１２である。一つの実施形態によると、シリコンウェハ５２のエッチングは、リソグラフィ技術、及び、ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８化学による深反応性イオンエッチングを使用して行われる。
【００８０】
本発明の環境発電装置のコンプライアントストッパの形成は、種々の方法で行っても良い。以下は、コンプライアントストッパを形成する方法の非制限的な実施例である。第１の実施例では、図１１Ａ，１１Ｂに示すコンプライアントストッパは、図２６及び図２７Ａ〜２７Ｃに示すように形成される。図２６は、所定位置のコンプライアントストッパ１４Ａを有する図１１Ａ，１１Ｂの環境発電装置１０の上部の側面図である。図２７Ａ〜２７Ｃは、コンプライアントストッパ１４Ａを有する環境発電装置１０を形成するプロセスのステップを示す。第１ステップでは、パッケージ２０の部分２０Ｂがパッケージ２０を形成するために適した材料から形成される。例えば、部分２０Ｂはガラス基板であり、約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍまたは約１．０ｍｍの厚さを有する。部分２０Ｂは、当技術分野で既知の技術（例えば、サンドブラスト、レーザカッティング、ウェットエッチング、ＣＮＣ機械加工等）によりパターン化及びエッチングされ、図２７Ａに側面図で示す構造を形成する。この同じプロセスが繰り返されてパッケージ２０の部分２０Ａを形成し、これは、部分２０Ｂと同じまたは異なる材料で形成しても良く、部分２０Ｂと同じまたは異なる厚さを有しても良い。一つの実施形態によると、部分２０Ａは部分２０Ｂよりもわずかに大きい厚さを有し、例えば約０．０５ｍｍ大きい、０．１ｍｍ大きい、０．１５ｍｍ大きい、または、約０．２ｍｍ大きい。
【００８１】
図２７Ｂに移ると、第３基板（基板１）が提供され、これは、部分２０Ａ及び部分２０Ｂと同じ材料でも良く、または、同じ材料でなくても良く、約０．０１ｍｍ、０．０２ｍｍ、０．０３ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０７ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０９ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１１ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１３ｍｍ、０．１４ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．１６ｍｍ、０．１７ｍｍ、０．１８ｍｍ、０．１９ｍｍまたは約０．２ｍｍの厚さを有する。基板１は、当技術分野で既知の技術にしたがってパターン化及びエッチングされ、コンプライアントストッパ１４Ａを形成する。
【００８２】
図２７Ｃに示すように、第４基板（パッケージ２０の部分２０Ｃ）も提供され、これは、部分２０Ａと同じ材料で形成されても良く、または同じ材料で形成されなくても良く、一つの実施形態によると、部分２０Ａとほぼ等しい厚さを有する。
【００８３】
部分２０Ａ，２０Ｂ（図２７Ａ）、コンプライアントストッパ１４Ａ（図２７Ｂ）及び部分２０Ｃ（図２７Ｃ）は、当技術分野で既知の方法を使用して整列されて接合され（例えば、レーザ再結晶化、フリット接合）、図２６に示すコンプライアントストッパを有するパッケージである接合されたスタックを形成する。
【００８４】
第２の実施例では、図１５に記載のコンプライアントストッパが、図２８及び図２９Ａ〜２９Ｃに示すように形成される。図２８は、所定位置のコンプライアントストッパ１４Ａを有する図１５の環境発電装置１０の上部の側面図である。図１９Ａ〜１９Ｃは、コンプライアントストッパ１４Ａを有する環境発電装置１０を形成するプロセスのステップを示す。第１ステップでは、部分２０Ｄがパッケージ２０の形成に適切な材料で形成される。例えば、部分２０Ｄは、ガラス基板であり、これは、約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、または、約２．０ｍｍの厚さを有する。部分２０Ｄは、図２９Ａにおいて部分２０Ｅと称される基板（例えば、シリコン）に接合される。部分２０Ｅは、約５０ミクロン、１００ミクロン、１５０ミクロン、２００ミクロン、２５０ミクロン、３００ミクロン、３５０ミクロン、４００ミクロン、４５０ミクロン、５００ミクロン、または、約５５０ミクロンの厚さを有しても良い。
【００８５】
図２９Ｂに示すように、部分２０Ｅはパターン化及びエッチングされ、コンプライアントストッパ１４Ａを形成し、これは一つの特定の実施形態では、３：１の高さ：幅のアスペクト比を有する。
【００８６】
図２９Ｃにおいて部分２０Ｆと称される他の基板（例えば、シリコン）が提供される。部分２０Ｆは、約６００ミクロン、６２５ミクロン、６５０ミクロン、６７５ミクロン、７００ミクロン、７２５ミクロン、７５０ミクロン、７７５ミクロン、８００ミクロン、８２５ミクロン、または、約８５０ミクロンの厚さを有しても良い。部分２０Ｆはパターン化及びエッチングされる。部分２０Ｆは、当技術分野で既知の技術を使用して部分２０Ｅ，２０Ｄに接合される。例えば、このような接合は、密封シールによるガラスフリット接合または接着剤接合を用いて実行することができる。コンプライアントストッパを含むパッケージが、図２８に示すように形成される。
【実施例】
【００８７】
以下の実施例は、本発明の実施形態を説明するために提供するものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。
【００８８】
実施例１−コンプライアントストッパを有するパッケージ化された環境発電装置
ＭＥＭＳ環境発電装置は、環境発電装置の幅に沿って懸垂され、かつ環境発電装置の質量体に接触するように整列された、剛性で１ｍｍ径のステンレス鋼のロッドストッパを有するパッケージ内に配置される。環境発電装置は、３００Ｇのピーク加速度を有する衝撃を受け、中立位置から先端０．５ｍｍが撓む。環境発電装置がステンレス鋼のストッパに接触すると、環境発電装置は破損する。
【００８９】
同様のＭＥＭＳ環境発電装置が、０．３ｍｍの厚さのポリオレフィンの層で被覆され、環境発電装置の幅に沿って懸垂され、かつ環境発電装置の質量体と接触するように整列された、１ｍｍ径のステンレス鋼のロッドストッパを有するパッケージ内に配置される。環境発電装置は、３００Ｇのピーク加速度を有する衝撃を受け、中立位置から先端０．５ｍｍが撓む。環境発電装置がポリマーで被覆されたステンレス鋼のストッパと接触するとき、環境発電装置は破損しない。
【００９０】
本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）に記載の全ての特徴、及び/または、そのように開示される任意の方法またはプロセスの全てのステップは、このような特徴及び/またはステップの少なくともいくつかが相互に矛盾する組み合わせを除き、任意の組み合わせにおいて上述の態様の任意のものと組み合わせることができる。
【００９１】
本明細書において種々の実施形態について詳細に描写及び記載してきたが、当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、種々の変形、追加、置き換え等を行うことが可能なことは明らかであり、したがって、これらは、添付の特許請求の範囲に画定されるような本発明の範囲内にあると見なされる。
【図１】
2017506491.tif 000007
【図２】
2017506491.tif 000008
【図３】
2017506491.tif 000009
【図４】
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【図５】
2017506491.tif 000011
【図６】
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【図７】
2017506491.tif 000013
【図８Ａ】
2017506491.tif 000014
【図８Ｂ】
2017506491.tif 000015
【図８Ｃ】
2017506491.tif 000016
【図８Ｄ】
2017506491.tif 000017
【図８Ｅ】
2017506491.tif 000018
【図９】
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【図１０】
2017506491.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【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】
2017506491.tif 000037
【図２７Ｂ】
2017506491.tif 000038
【図２７Ｃ】
2017506491.tif 000039
【図２８】
2017506491.tif 000040
【図２９Ａ】
2017506491.tif 000041
【図２９Ｂ】
2017506491.tif 000042
【図２９Ｃ】
2017506491.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月13日(2017.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を含む細長い共振梁であって、第１及び第２端部間に延びる、前記共振梁と、
前記共振梁に前記第１端部で接続されたベースであって、前記第２端部はカンチレバーとして前記ベースから自由に延びている、前記ベースと、
前記共振梁の第２端部に取り付けられた質量体と、
前記共振梁の第２端部の少なくとも一部を囲むパッケージと、
前記パッケージに接続されたコンプライアントストッパであって、前記カンチレバーの動きを安定化させて破損を防止するように構成された、前記ストッパと
を含む、環境発電装置。
【請求項２】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記コンプライアントストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ２、他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の層は、少なくとも２つの異なる材料を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
電動機器と、
前記機器に電気的に連結された請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置と
を含む、システム。
【請求項１４】
前記電動機器は、ラップトップコンピュータ；タブレットコンピュータ；携帯電話；スマートフォン；電子ブックリーダ；ＭＰ３プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲーム装置；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；カメラ；無線センサ；タブレット、ＰＣ及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；無線センサモート（産業、鉄道、建物、農業等をモニタリングするネットワーク用）；タイヤ空気圧センサモニタ；動力工具の簡易ディスプレイの電力供給；家畜をモニタリングするための農業装置；医療装置；人体モニタリング装置；ならびに、おもちゃからなる群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
電動機器に電力を供給する方法であって、
請求項１３または１４に記載のシステムを準備する工程と、
前記システムを運動または振動に供して前記圧電材料から電気エネルギを生成する工程と、
前記圧電材料からの電気エネルギを前記機器に伝達して、前記機器に電力を提供する工程と
を含む、前記方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明のパッケージ化された環境発電装置は、コンプライアントストッパという特徴を組み込み、カンチレバー／パッケージの相互作用を安定化する機能を提供する。ストッパは、インパクトのパルス幅、及びそれに続いて、パッケージとのインパクトの際にカンチレバーが受ける加速度レベルを調整するように、材料選択またはデザインの一方または双方を通してある程度のコンプライアンスを有するように作製される。この受ける加速度の低下は、パッケージ化された環境発電装置の頑健性を、特に低圧環境でパッケージ化された場合に、更に増大する。
[本発明1001]
圧電材料を含む細長い共振梁であって、第1及び第2端部間に延びる、前記共振梁と、
前記共振梁に前記第1端部で接続されたベースであって、前記第2端部はカンチレバーとして前記ベースから自由に延びている、前記ベースと、
前記共振梁の第2端部に取り付けられた質量体と、
前記共振梁の第2端部の少なくとも一部を囲むパッケージと、
前記パッケージに接続されたコンプライアントストッパであって、前記カンチレバーの動きを安定化させて破損を防止するように構成された、前記ストッパと
を含む、環境発電装置。
[本発明1002]
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、本発明1001の装置。
[本発明1003]
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、本発明1002の装置。
[本発明1004]
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、先行本発明のいずれかの装置。
[本発明1005]
前記コンプライアントストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ2、他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、先行本発明のいずれかの装置。
[本発明1006]
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、先行本発明のいずれかの装置。
[本発明1007]
前記複数の層は、少なくとも2つの異なる材料を含む、本発明1006の装置。
[本発明1008]
前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、先行本発明のいずれかの装置。
[本発明1009]
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、本発明1008の装置。
[本発明1010]
前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、本発明1008または1009の装置。
[本発明1011]
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、先行本発明のいずれかの装置。
[本発明1012]
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、先行本発明のいずれかの装置。
[本発明1013]
電動機器と、
前記機器に電気的に連結された本発明1001から1012のいずれかの装置と
を含む、システム。
[本発明1014]
前記電動機器は、ラップトップコンピュータ；タブレットコンピュータ；携帯電話；スマートフォン；電子ブックリーダ；ＭＰ3プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲーム装置；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；カメラ；無線センサ；タブレット、ＰＣ及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；無線センサモート（産業、鉄道、建物、農業等をモニタリングするネットワーク用）；タイヤ空気圧センサモニタ；動力工具の簡易ディスプレイの電力供給；家畜をモニタリングするための農業装置；医療装置；人体モニタリング装置；ならびに、おもちゃからなる群から選択される、本発明1013のシステム。
[本発明1015]
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、本発明1013または1014のシステム。
[本発明1016]
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、本発明1015のシステム。
[本発明1017]
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、本発明1013から1016のいずれかのシステム。
[本発明1018]
前記ストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ2、及び他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、本発明1013から1017のいずれかのシステム。
[本発明1019]
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、本発明1013から1018のいずれかのシステム。
[本発明1020]
前記複数の層は、少なくとも2つの異なる材料を含む、本発明1019のシステム。
[本発明1021]
前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、本発明1013から1020のいずれかのシステム。
[本発明1022]
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、本発明1021のシステム。
[本発明1023]
前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、本発明1021または1022のシステム。
[本発明1024]
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、本発明1013から1023のいずれかのシステム。
[本発明1025]
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、本発明1013から1024のいずれかのシステム。
[本発明1026]
電動機器に電力を供給する方法であって、
本発明1013から1025のいずれかのシステムを準備する工程と、
前記システムを運動または振動に供して前記圧電材料から電気エネルギを生成する工程と、
前記圧電材料からの電気エネルギを前記機器に伝達して、前記機器に電力を提供する工程と
を含む、前記方法。
[本発明1027]
前記機器は、ラップトップコンピュータ；タブレットコンピュータ；携帯電話；スマートフォン；電子ブックリーダ；ＭＰ3プレーヤ；電話通信ヘッドセット；ヘッドホン；ルータ；ゲーム装置；ゲームコントローラ；モバイルインターネットアダプタ；カメラ；無線センサ；タブレット、ＰＣ及び／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ；無線センサモート（産業、鉄道、建物、農業等をモニタリングするネットワーク用）；タイヤ空気圧センサモニタ；動力工具の簡易ディスプレイの電力供給；家畜をモニタリングするための農業装置；医療装置；人体モニタリング装置；ならびに、おもちゃからなる群から選択される、本発明1026の方法。
[本発明1028]
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの内壁上に形成される、本発明1026または1027の方法。
[本発明1029]
前記コンプライアントストッパは、前記パッケージの対向する内壁上に形成される、本発明1026から1028のいずれかの方法。
[本発明1030]
前記パッケージは、前記ベースと共に単一構造体として形成される、本発明1026から1029のいずれかの方法。
[本発明1031]
前記コンプライアントストッパは、ガラス、金属、シリコン、フォトレジスト、ポリイミド、ＳｉＯ2、及び他の相補型金属酸化膜半導体適合性材料、ゴム及び他のポリマー、セラミック、発泡体、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成される、本発明1026から1030のいずれかの方法。
[本発明1032]
前記共振梁は、複数の層から形成される積層体を含む、本発明1026から1031のいずれかの方法。
[本発明1033]
前記複数の層は、少なくとも2つの異なる材料を含む、本発明1032の方法。
[本発明1034]
前記システムは、前記圧電材料と電気的に接触する一つまたは複数の電極を更に含む、本発明1026から1033のいずれかの方法。
[本発明1035]
前記一つまたは複数の電極は、モリブデン及びプラチナからなる群から選択される材料を含む、本発明1034の方法。
[本発明1036]
前記システムは、前記圧電材料から電気エネルギを取得するための、前記一つまたは複数の電極に電気的に接続された電気取得回路を更に含む、本発明1034または1035の方法。
[本発明1037]
前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、及びチタン酸ジルコン酸鉛の複合材からなる群から選択される、本発明1026から1036のいずれかの方法。
[本発明1038]
前記コンプライアントストッパは、トルク中立位置で前記カンチレバーに接触するように構成される、本発明1026から1037のいずれかの方法。
【国際調査報告】
2017506491.tif 000044
2017506491.tif 000045