【別紙5】

微弱電波による環境発電用の新しい昇圧素子
早稲田大学 理工学術院
先進理工学部 電気・情報生命学科
准教授 柳谷隆彦

2019年6月6日
1

提案デバイス： 圧電トランス薄膜音響共振子
新しい分極反転材料
反転１０層（エピPZT, ScAlN, ZnO薄膜）
微弱電波（0.06 V）

絶縁層

0.5 mm

１０倍昇圧 電波（0.6 V）
想定スペック：
素子容量：10 pF 以下（電極 1 mm 角以下）
周波数帯域：100 MHz ~ 25 GHz
耐電力性：1 W

提案者作製の50W薄膜共振子@ 800 MHz: 小型デバイス

2

左右傾斜反転構造ScAlN薄膜
巨大横波圧電性を持つ傾斜配向ScAlN薄膜

c軸傾斜角度2

電気機械結合係数 k (%)

M. Suzuki and T. Yanagitani, IUS 2015

3530

純AlNk'33

2k'15

225201510

Sc濃度x=10%
x=20%
x=30%x=40%

Sc濃度：45%以上は非圧電相へ相転移50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

c-axis tilt angle (deg.)

c軸傾斜35º付近で電気機械結合係数 最大3左右傾斜反転構造ScAlN薄膜
傾斜配向反転構造を形成
縦波の圧電定数e33

横波の圧電定数

定在波音波の様子（１次モード）e15

定在波音波の様子（１０次モード）
4想定動作周波数・地デジ帯: 0.6 GHz・ISMバンド: 2.45 GHz
動作周波数は一層の膜厚で決定：
動作周波数＝音速／波長＝音速／膜厚の２倍0.6 GHz＝ 3600 m/s ／3000 nm×22.45 GHz＝ 3600 m/s ／734 nm×2
地デジ帯： 3 mm@0.6GHz
ISMバンド： 0.7 mm@2.45GHz

5傾斜配向ScAlN薄膜の成長
スパッタガンを設計・自作

90º

60º

Substrate30º0º1515 O
ScAl alloy Target
CathodeNS

N・マグネトロン回路
・基板傾斜角度・成長位置を最適化
90ºでc軸傾斜角度45º達成
電気機械結合係数
理論最大値付近
6傾斜配向ScAlN薄膜の成長
90º

スパッタ粒子基板

一層ごとに180º回転

ScAl alloy Target
CathodeNSN

１２層の傾斜反転構造の形成に挑戦！！
偶数層を成膜ごとに音波励振、共振モードを評価
7傾斜配向ScAlN薄膜におけるk15’のSc濃度依存性
c-axis tilt angle
28–31º32–36º37–39º
20º
ScAl alloy (38º)
2Theoretical k'15 by the DFT (41º)
30

2k'15(%)

第一原理計算20• A significant decreaseof k’152 was observedfor x>0.49.

1000.0• k’152 increased withincreasing Sc
concentration from x= 0 to 0.41.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.50.6

Sc concentration (x)80.6 GHz 地デジ帯を想定

平均厚さは3.42 mm91層当たり平均
3.42 mm10１２層傾斜配向ScAlN薄膜の極点図

2,4,6,8,10,12層

傾斜角度
c=44.6°

1,3,5,7,9,11層目

傾斜角度
c=41.7°

Intensity (a.u.)

断面図：傾斜のばらつきを示す ⇒ ピーク半値幅
1500

1,3,5,7,9,11層目： 10.2º2,4,6,8,10,12層目：12.6º

1000

１２層積んでも傾斜ばらつきは小さい

500
0-90 -75 -60 -45 -30 -15

015 30 45 60 75 9011圧電薄膜の電気機械結合係数評価 [1] [2][9] T. Yanagitani, et al.
J. Appl. Phys., 104, (2007) 024110.
[10] T. Yanagitani, et al.
IEEE TUFFC., 58, (2011) 1062.

Network analyzer with Bias T

Microwave probe
Au top electrode
ScAlN薄膜
GHz electric field
Ultrasonic

0.5mm

Silica glass

S11パラメータを測定し、逆フーリエ変換することで、インパルス応答を測定 ⇒ 変換損失を測定
12

すべりモード電気機械結合係数 k15’の評価
単層HBARの実測曲線(膜厚3.4 m)'CL_1-layer_th_aftersem_k0336'2
Mason等価回路モデル (k'15 =11.3%)
横波変換損失 (dB)

4030201000.00.2

0.40.60.81.0

周波数 (GHz)k15’=11.3%の良好な値 （純AlN単結晶で6%程度）
13成膜ごとの共振モード：分極反転構造の確認（２層）
2層HBARの実測曲線(各層の膜厚3.4 m)
2Mason等価回路モデル (k'15 =11.3%)
横波変換損失 (dB)

4030201000.0

1st0.2

2nd0.40.6

3rd0.81.0

周波数 (GHz)14

成膜ごとの共振モード：分極反転構造の確認（４層）
4層HBARの実測曲線(各層の膜厚3.4m)
CL_4layer_th_aftersem_k0336
2CL_4layer
Mason等価回路モデル (k'15 =11.3%)
横波変換損失 (dB)

403020

1st10

2nd 3rd00.00.20.4

4th5th0.60.81.0

周波数 (GHz)15

成膜ごとの共振モード：分極反転構造の確認（１２層）
12層HBARの実測曲線(各層の膜厚3.4 m)'CL_12-layer_th_k0336_aftersem'
2
Mason等価回路モデル (k'15 =11.3%)
横波変換損失 (dB)

4030
2010

12th00.00.20.40.6

周波数 (GHz)

0.81.0地デジ帯

１２次モード励振を観測⇒１２層分極反転薄膜構造の成功
16

2.45 GHz ISM帯を想定

基板

1層当たり平均730 nm17

2.45 GHz ISM帯を想定した多層膜の圧電特性←

60Shear wave CL (dB)

Piezoelectricity
High
Low →Experiment
Mason's model
5040

123-11 layer

302
120
100
0.0

12th
1.0
2.0
3.0
Frequency (GHz)

Substrate

4.0

2.45 GHz帯で12次モードの共振に成功

18圧電トランスのモデル化
高インピーダンス(2 kW) アンテナ CREST 石橋グループ
入力
出力

電気機械伝送線路モデルを構築
圧電トランスのモデル化に成功

2 kW

電気回路

CvZkd

1 k t22t12

実験と計算モデルが良く一致
2 kW している。（下図）（フィッテングパラメータなし）
機械回路 圧電変換

電気回路

12層HBARの実測曲線(各層の膜厚3.4 m)'CL_12-layer_th_k0336_aftersem'
2Mason等価回路モデル (k'15 =11.3%)

圧電トランスのモデル化

横波変換損失 (dB)

4030201000.00.2

0.40.60.81.0

周波数 (GHz)

汎用の回路シミュレータにプラグインシステム全体の効率計算可能に
19

NEWS ４月に新たに圧電BAWトランス作製に成功

１２倍の電圧増幅に成功！

-20-40-600

入出力電圧比 Vout / Vin

通過特性 S21 (dB)

電気機械伝送線路モデル（理論計算）
実測値0200400600
周波数 (MHz)800

1612←１２倍の電圧増幅
＠地デジ帯

8400400

8001200
周波数 (MHz)

1600
20ハーベスタとして設計（整流効率最大化）での性能比較
・図中，数値はSS-FET整流器を駆動するRF電源インピーダンス
・赤実線：アンテナ＋BAWトランス（BAW4：巻線比４， BAW8：巻線比8 ）・黒破線：アンテナ
10kΩ

60

100kΩ
160kΩ
(10kΩ+BAW4)128kΩ(2kΩ+BAW8)3010kΩ
3.2kΩ

160kΩ
(10kΩ+BAW4)

0.01

20

3.2kΩ
(50Ω+BAW8)1050Ω
0-700.1
Voltage (V)Efficiency (%)

128kΩ
(2kΩ+BAW8)

3.2kΩ

50401-60-50-40-3050Ω100kΩ
0.001-70-65-60-55-50-45-40-35

3.2kΩ(50Ω+BAW8)-30

Input power (dBm)

Input power (dBm)21圧電トランス DAPRA(SAW)と本研究(BAW)の比較
DAPRA （ＳＡＷデバイス）

本研究 （ＢＡＷデバイス）

0.5 mm
2.5 mm利点：
・従来技術で作製可能
欠点：・大きい。 変圧比を上げると面方向に拡大⇒ ＢＡＷに比べて極端に大きくなる。
・Ｑ値が低い。 櫛形電極の抵抗が原因⇒ そのせいで５ＧではＢＡＷが採用。
・Ｓｉ基板上にモノリシックマウントできない⇒ 圧電単結晶のためＳｉ集積不可

利点：
・小さい。 縦積みのため変圧比を上げても大きくならない
・Ｑ値が高い。 電極抵抗が小さい
・Ｓｉ基板上にモノリシック化可能
欠点：
・分極反転構造（新技術）が必要

しかし、基礎研究としても評価も高く利用価値有Appl. Phys. Lett., 2件 J Appl. Phys. 1件
IEEE Trans 1 件 を査読結果修正中22入力出力の電圧比

本研究のBAW型圧電トランス （８層反転） （シミュレーション）
DARPAのSAW型圧電トランス（シミュレーション）
2019年度目標値：
電気機械結合係数 9%
共振のQ値
300

来年度の目標値： 電気機械結合係数 16%共振のQ値
1200
低酸素プロセス導入
結晶性の向上により改善

電気機械結合係数とＱ値の積23産学連携の経歴• 2010年 JST企業研究者育成事業に採択• 2016年- 米国大手メーカと５０００万円規模の共同研究実施• 2016年- JST戦略的創造研究推進事業さきがけに採択• これまで１０年間で１０社以上の会社と共同研究に関する契約を締結・実施
24

企業への期待• 薄膜量産• 回路試作• デバイス試作• レクテナ試作25

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：トランス及び該トランスを用いたレクテナ
公開番号：特開2018-190800• 出願人：早稲田大学• 発明者：柳谷隆彦、唐澤嶺

26

お問い合わせ先
早稲田大学
リサーチイノベーションセンター
知財・研究連携支援部門ＴＥＬ ０３－５２８６－ ９８６７
ＦＡＸ ０３－５２８６－ ８３７４
e-mail contact-tlo@list.waseda.jp

27