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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5676377
(24)【登録日】2015年1月9日
(45)【発行日】2015年2月25日
(54)【発明の名称】エレクトレット膜およびこれを用いた振動発電素子
(51)【国際特許分類】
H02N 1/00 20060101AFI20150205BHJP
【ＦＩ】
H02N1/00
【請求項の数】9
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2011-144605(P2011-144605)
(22)【出願日】2011年6月29日
(65)【公開番号】特開2013-13256(P2013-13256A)
(43)【公開日】2013年1月17日
【審査請求日】2013年9月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】390022471
【氏名又は名称】アオイ電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100084412
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 冬紀
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 雅人
(72)【発明者】
【氏名】今野 隆
【審査官】
安池 一貴
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００８−１１２７８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１０／０４７０７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１０−０６８６４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−０１１５４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｎ １／００
Ｈ０２Ｎ ２／００
Ｈ０１Ｇ ７／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｓｉ基板の上に、このＳｉの基材に接するように設けられた第１のＳｉＯ２層と、
前記第１のＳｉＯ２層の上に、この第１のＳｉＯ２層に接するように設けられた常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜と、
前記イオン不透過膜の上に、この前記イオン不透過膜に接するように設けられた第２のＳｉＯ２層とを備え、
前記第２のＳｉＯ２層に、前記第１のＳｉＯ２層から移動させたアルカリイオンを含有し、
前記アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とするエレクトレット膜。
前記第１のＳｉＯ２層の上に、この第１のＳｉＯ２層に接するように設けられた常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜と、
前記イオン不透過膜の上に、この前記イオン不透過膜に接するように設けられた第２のＳｉＯ２層とを備え、
前記第２のＳｉＯ２層に、前記第１のＳｉＯ２層から移動させたアルカリイオンを含有し、
前記アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とするエレクトレット膜。
【請求項2】
請求項１に記載のエレクトレット膜において、
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とするエレクトレット膜。
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とするエレクトレット膜。
【請求項3】
請求項１に記載のエレクトレット膜の製造方法であって、
Ｓｉ基板を加熱した状態で、このＳｉ基板にアルカリイオンを含む水蒸気を触れさせて、前記Ｓｉ基板の上に、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層を形成する第１の工程と、
アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層の上に常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜を形成する第２の工程と、
前記イオン不透過膜の上に第２のＳｉＯ２層を形成する第３の工程と、
第３の工程の後、前記第１のＳｉＯ２層を＋側とし、前記第２のＳｉＯ２層を−側とする電界を印加するとともに、前記基板を加熱し、前記アルカリイオンを含む前記第１のＳｉＯ２層から、このアルカリイオンを前記イオン不透過膜を透過させて前記第２のＳｉＯ２層に移動させる第４の工程とを含み、
前記アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とするエレクトレット膜の形成方法。
Ｓｉ基板を加熱した状態で、このＳｉ基板にアルカリイオンを含む水蒸気を触れさせて、前記Ｓｉ基板の上に、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層を形成する第１の工程と、
アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層の上に常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜を形成する第２の工程と、
前記イオン不透過膜の上に第２のＳｉＯ２層を形成する第３の工程と、
第３の工程の後、前記第１のＳｉＯ２層を＋側とし、前記第２のＳｉＯ２層を−側とする電界を印加するとともに、前記基板を加熱し、前記アルカリイオンを含む前記第１のＳｉＯ２層から、このアルカリイオンを前記イオン不透過膜を透過させて前記第２のＳｉＯ２層に移動させる第４の工程とを含み、
前記アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とするエレクトレット膜の形成方法。
【請求項4】
請求項３に記載のエレクトレット膜の形成方法において、
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とするエレクトレット膜の形成方法。
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とするエレクトレット膜の形成方法。
【請求項5】
立体型可動櫛歯電極と、
前記立体型可動櫛歯電極に対向する立体型固定櫛歯電極と、
前記立体型可動櫛歯電極の各々の櫛歯の表面には、請求項１に記載のエレクトレット膜が設けられていることを特徴とする振動発電素子。
前記立体型可動櫛歯電極に対向する立体型固定櫛歯電極と、
前記立体型可動櫛歯電極の各々の櫛歯の表面には、請求項１に記載のエレクトレット膜が設けられていることを特徴とする振動発電素子。
【請求項6】
請求項５に記載の振動発電素子において、
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする振動発電素子。
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする振動発電素子。
【請求項7】
請求項５に記載の振動発電素子を作製する方法であって、
Ｓｉ基材の上にＳｉＯ２層を準備する第１の工程と、ＳｉＯ２層の上に更にＳｉ層を形成する第２の工程と、第２の工程の後、前記基板をエッチングして前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極とを形成する第３の工程と、
前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極とを加熱した状態で、アルカリイオンを含む水蒸気を触れさせて、前記立体型可動櫛歯電極のＳｉ基板の上に、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層を形成する第４の工程と、
前記第１のＳｉＯ２層の外側に常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜を形成する第５の工程と、
前記イオン不透過膜の外側に第２のＳｉＯ２層を形成する第６の工程と、
第４の工程の後、前記立体型可動櫛歯電極が形成されているＳｉ基板をエッチングして前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極を形成する第７の工程と、
前記立体型可動櫛歯電極を正電位側とし、前記立体型固定櫛歯電極を負電位側とするとともに、前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極とを加熱し、前記立体型可動櫛歯電極において、前記アルカリイオンを含む前記第１のＳｉＯ２層から、このアルカリイオンを高温下で前記イオン不透過膜を透過させて前記第２のＳｉＯ２層に移動させる第８の工程とを含み、
前記アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とする振動発電素子の作製方法。
Ｓｉ基材の上にＳｉＯ２層を準備する第１の工程と、ＳｉＯ２層の上に更にＳｉ層を形成する第２の工程と、第２の工程の後、前記基板をエッチングして前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極とを形成する第３の工程と、
前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極とを加熱した状態で、アルカリイオンを含む水蒸気を触れさせて、前記立体型可動櫛歯電極のＳｉ基板の上に、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層を形成する第４の工程と、
前記第１のＳｉＯ２層の外側に常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜を形成する第５の工程と、
前記イオン不透過膜の外側に第２のＳｉＯ２層を形成する第６の工程と、
第４の工程の後、前記立体型可動櫛歯電極が形成されているＳｉ基板をエッチングして前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極を形成する第７の工程と、
前記立体型可動櫛歯電極を正電位側とし、前記立体型固定櫛歯電極を負電位側とするとともに、前記立体型可動櫛歯電極と前記立体型固定櫛歯電極とを加熱し、前記立体型可動櫛歯電極において、前記アルカリイオンを含む前記第１のＳｉＯ２層から、このアルカリイオンを高温下で前記イオン不透過膜を透過させて前記第２のＳｉＯ２層に移動させる第８の工程とを含み、
前記アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とする振動発電素子の作製方法。
【請求項8】
請求項７に記載の振動発電素子の作製方法において、
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする振動発電素子の作製方法。
前記アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、
前記イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする振動発電素子の作製方法。
【請求項9】
請求項７または８に記載の振動発電素子の作製方法において、
前記第８の工程での加熱を、当該立体型可動櫛歯電極に通電して、当該立体型可動櫛歯電極自体の発熱によって行うことを特徴とする振動発電素子の作製方法。
前記第８の工程での加熱を、当該立体型可動櫛歯電極に通電して、当該立体型可動櫛歯電極自体の発熱によって行うことを特徴とする振動発電素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エレクトレット膜およびこれを用いた振動発電素子に関する。
【背景技術】
【0002】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子として、対向する平面型櫛歯電極にエレクトレットを形成したものが知られている。その殆どは２つの対向する矩形領域（例えば特許文献１参照）あるいは円形領域（例えば特許文献２参照）に櫛歯を設けた構造を備えている。これらの平面型櫛歯電極にエレクトレットを形成したものを用いた発電素子は、発電容量を増大するためには面積を大きくする必要があり、従って小型で出力の大きい発電素子の作成は困難であった。
【0003】
近年ＭＥＭＳの技術を利用し、櫛歯電極を立体的な構造とすることで、対向する電極間の静電容量を増加させ、小型の発電素子が作成されている。例えば特許文献３に開示されている発電素子では、このような立体的な対向する櫛歯電極が用いられており、電極間の電圧印加手段として、櫛歯電極の付近に設けたエレクトレットが用いられている。
【0004】
エレクトレットの形成は、一般的に絶縁膜にコロナ放電で電荷を注入することによって行われている。しかしながら、この方法で製造されたエレクトレットでは、絶縁膜での電荷密度が小さく、また長期間の使用による電荷の減少の問題があるので、より電荷密度の高いかつ長寿命のエレクトレットの構造が望まれていた。
【0005】
特許文献４には、アルカリガラスをガラス転移点未満の温度で加熱しつつ、これに約５００Ｖ〜約１０００Ｖの電圧をかけてこのアルカリガラス中のアルカリイオンを移動させてアルカリイオン空乏域を形成したものから、平面型櫛歯電極のエレクトレットを形成した構造が開示されている。
【0006】
非特許文献１には、立体的な構造の櫛歯電極の間にソフトＸ−ｒａｙを照射して、空気中に発生した電荷をエレクトレット用の絶縁膜に注入して、エレクトレットを形成する方法が開示されている。しかしながら、この方法もコロナ放電による電荷注入と同様に、絶縁膜での電荷密度を大きくすることは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１０−１３６５９８号公報
【特許文献2】特開２０１１−０７２０７０号公報
【特許文献3】特開２０１０−０１１５４７号公報
【特許文献4】特開２０１０−０６８６４３号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Honzumi, M., Ueno, A., Hagiwara, K., Suzuki, Y., Tajima, T., and Kasagi, N.,"Soft-X-Ray-Charged Vertical Electrets and Its Application to Electrostatic Transducers,"Proc. 23rd IEEE Int. Conf. MEMS, Hong Kong, China, January 24-28, 2010, pp.635-638
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
従来のエレクトレットの形成方法および構造では、大きな電荷密度を長期間維持することができなかった。また立体的に対向する櫛歯電極に高密度の電荷を持つエレクトレットを形成することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【0010】
（１）請求項１に記載の発明は、Ｓｉ基板の上に、このＳｉの基材に接するように設けられた第１のＳｉＯ２層と、第１のＳｉＯ２層の上に、この第１のＳｉＯ２層に接するように設けられた常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜と、イオン不透過膜の上に、このイオン不透過膜に接するように設けられた第２のＳｉＯ２層とを備え、第２のＳｉＯ２層に、第１のＳｉＯ２層から移動させたアルカリイオンを含有し、アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とするエレクトレット膜である。（２）請求項２に記載の発明は、 請求項１に記載のエレクトレット膜において、アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする。
（３）請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のエレクトレット膜の製造方法であって、Ｓｉ基板を加熱した状態で、このＳｉ基板にアルカリイオンを含む水蒸気を触れさせて、Ｓｉ基板の上に、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層を形成する第１の工程と、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層の上に常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜を形成する第２の工程と、イオン不透過膜の上に第２のＳｉＯ２層を形成する第３の工程と、第３の工程の後、第１のＳｉＯ２層を＋側とし、第２のＳｉＯ２層を−側とする電界を印加するとともに、基板を加熱し、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層から、このアルカリイオンをイオン不透過膜を透過させて第２のＳｉＯ２層に移動させる第４の工程とを含み、アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とするエレクトレット膜の形成方法である。
（４）請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のエレクトレット膜の形成方法において、アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする。
（５）請求項５に記載の発明は、立体型可動櫛歯電極と、立体型可動櫛歯電極に対向する立体型固定櫛歯電極と、立体型可動櫛歯電極の各々の櫛歯の表面には、請求項１に記載のエレクトレット膜が設けられていることを特徴とする振動発電素子である。
（６）請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の振動発電素子において、アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする。
（７）請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の振動発電素子を作製する方法であって、Ｓｉ基材の上にＳｉＯ２層を準備する第１の工程と、ＳｉＯ２層の上に更にＳｉ層を形成する第２の工程と、第２の工程の後、基板をエッチングして立体型可動櫛歯電極と立体型固定櫛歯電極とを形成する第３の工程と、立体型可動櫛歯電極と立体型固定櫛歯電極とを加熱した状態で、アルカリイオンを含む水蒸気を触れさせて、立体型可動櫛歯電極のＳｉ基板の上に、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層を形成する第４の工程と、記第１のＳｉＯ２層の外側に常温でアルカリイオンを透過させないイオン不透過膜を形成する第５の工程と、イオン不透過膜の外側に第２のＳｉＯ２層を形成する第６の工程と、第４の工程の後、立体型可動櫛歯電極が形成されているＳｉ基板をエッチングして立体型可動櫛歯電極と立体型固定櫛歯電極を形成する第７の工程と、立体型可動櫛歯電極を正電位側とし、立体型固定櫛歯電極を負電位側とするとともに、立体型可動櫛歯電極と立体型固定櫛歯電極とを加熱し、立体型可動櫛歯電極において、アルカリイオンを含む第１のＳｉＯ２層から、このアルカリイオンを高温下でイオン不透過膜を透過させて第２のＳｉＯ２層に移動させる第８の工程とを含み、アルカリイオンはアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンであることを特徴とする振動発電素子の作製方法である。
（８）請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の振動発電素子の作製方法において、アルカリイオンは、Ｋ＋イオンであり、イオン不透過膜は、ＳｉＮｘ膜であることを特徴とする。
（９）請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の振動発電素子の作製方法において、第８の工程での加熱を、立体型可動櫛歯電極に通電して、この立体型可動櫛歯電極自体の発熱によって行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によるエレクトレット膜の構造を備えた櫛歯電極を用いて、高出力の発電機を製造することができる。また、本発明によるエレクトレット膜を立体的な櫛歯電極の側壁に形成することにより、高出力で小型の発電機を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明によるエレクトレットの構造および作製方法の原理を示す図である。（ａ）は、Ｋ＋イオンを含有したＳｉＯ２層を形成したＳｉ基板状態Ａを示す。（ｂ）は基板状態ＡのＳｉ基板の上に常温ではＫ＋イオンが通過できないＳｉＮｘ膜とさらにその上にもう１つのＳｉＯ２層を形成した基板状態Ｂを示す。（ｃ）は基板状態ＢのＳｉ基板を加熱しながら、上下に設けた電極から電圧を印加するＢ−Ｔ法により、Ｋ＋イオンをＳｉＮｘ膜を透過させ、その上のＳｉＯ２層に拡散させる工程を示す。（ｄ）は、Ｋ＋イオンの移動が完了し、加熱を中止し、また電極を取り外した、本発明によるエレクトレット膜を備えたＳｉ基板の状態Ｃを示す。
【図3】本発明によるエレクトレット膜を備えた可動櫛歯電極および固定櫛歯電極から構成される振動発電素子の全体概略図である。
【図5A】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第１ステップを示す図である。
【図5B】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第２ステップを示す図である。
【図5C】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第３ステップを示す図である。
【図5D】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第４ステップを示す図である。
【図5E】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第５ステップを示す図である。
【図5F】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第６ステップを示す図である。
【図5G】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第７ステップを示す図である。
【図5H】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第８ステップを示す図である。
【図5I】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第９ステップを示す図である。（ａ）は振動発電素子の全体概略を示し、（ｂ）は可動櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａでの構造を示し、（ｃ）は固定櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａ’の構造を示す。
【図5J】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第１０ステップを示す図である。（ａ）は振動発電素子の全体概略を示し、（ｂ）は可動櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａでの構造を示し、（ｃ）は固定櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａ’の構造を示す。
【図5K】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第１１ステップを示す図である。（ａ）は振動発電素子の全体概略を示し、（ｂ）は可動櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａでの構造を示し、（ｃ）は固定櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａ’の構造を示す。
【図5L】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第１２ステップを示す図である。
【図5M】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第１３ステップを示す図である。
【図5N】本発明によるエレクトレット膜を備えた振動発電素子を作製するプロセスの第１４ステップ示す図である。（ａ）は振動発電素子の全体概略を示し、（ｂ）は可動櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａでの構造を示し、（ｃ）は固定櫛歯電極の１本の櫛歯の断面Ａ’の構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下図１〜図６を参照して、本発明によるエレクトレットの構造とその形成方法、さらにこのエレクトレットを備えた発電機の構造について説明する。なお、以下の説明では、例えば同じエレクトレット電極の部位であって、同じ名称であっても、製造プロセスの段階で状態が変わるものは、別の参照番号を付与して説明している。
【0015】
まず、Ｓｉ基板１の表面にＳｉＯ２層２を形成した、このＳｉＯ２層２にカリウムイオンＫ＋を拡散する（図１（ａ）、基板状態Ａ）。Ｋ＋のＳｉＯ２層２への拡散方法は後述する。
【0016】
次に、Ｋ＋を拡散したＳｉＯ２層２の上に、窒化珪素膜（ＳｉＮｘ）３と更にその上にもう１つのＳｉＯ２層４を形成する（図１（ｂ）、基板状態Ｂ）。窒化珪素膜３は緻密であり、常温ではこの窒化珪素膜３の下に形成されているＳｉＯ２層１に拡散されたＫ＋イオンは、この窒化珪素膜３を通過して上側のＳｉＯ２層４に移動することはできない。なお、窒化珪素膜３の成膜については、本発明によるエレクトレットを実際に櫛歯状電極に形成する場合の、後述する加工プロセスで説明する。
【0017】
次に、図１（ｂ）の状態の基板を上下から電極５、６で挟み、ヒーター７で加熱しながらバイアス電圧Ｖを印加する（図１（ｃ））。これはいわゆるＢ−Ｔ（Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）法と呼ばれているもので、基板を高温にして、イオンが移動し易い状態で電圧を印加し、基板中のイオンを移動させる方法である。ＳｉＯ２層２のＫ＋イオンは窒化珪素膜３を透過してＳｉＯ２層４へ移動するが、この移動しやすさは窒化珪素膜３の厚さや組成、基板の温度、印加するバイアス電圧Ｖに依存する。
【0018】
Ｋ＋イオンがＳｉＯ２層４に充分移動したら、加熱を停止し、基板温度が室温程度まで低下したのち、バイアス電圧印加を停止する。この後、電極５、６を取り外す（図１（ｄ）、基板状態Ｃ）。以上により、Ｋ＋イオンを含むＳｉＯ２層のエレクトレット膜を備えた、エレクトレット基板（基板状態Ｃ）が形成される。
【0019】
このように形成したＫ＋イオンを含むＳｉＯ２層のエレクトレット膜は電荷の保持期間が非常に長く、従って寿命の長いエレクトレットを備えた小型発電機を製造することができる。
【0020】
なお、上記では、Ｂ−Ｔ法での電界の印加は、図１（ｃ）に示すように、２つの電極で基板を上下から挟んで行っているが、Ｓｉ基板１にＰ型あるいはＮ型の不純物を適宜ドーピングしておいて、このＳｉ基板１に導電性を持たせておき、これに電圧Ｖの正極側を接続することも可能である。このようにすれば図１（ｃ）の電極５は省くことができる。
【0021】
（Ｋ＋イオンのＳｉＯ２層への拡散方法）図２は、図１（ａ）の基板状態Ａの、ＳｉＯ２層２にＫ＋イオンを拡散する方法の原理を簡単に示す。
図２はいわゆるウェット酸化方法と呼ばれる、Ｓｉ基板にＳｉＯ２層を形成する方法を利用して、Ｋ＋イオンを含有したＳｉＯ２層を形成する方法を示したものである。
純水にＫＯＨを溶解した水溶液にＮ２ガスを通過させ、このＮ２ガスにＫ＋イオンを含んだ水蒸気を含有させる。この水蒸気を加熱炉に流し、この加熱炉内に設置したＳｉ基板上に、Ｋ＋イオンを含んだＳｉＯ２層を形成させる。このウェット酸化方法によって図１（ａ）に示す、Ｋ＋イオンを含むＳｉＯ２層が形成されたＳｉ基板（基板状態Ａ）が形成される。
【0022】
＜第２の実施形態＞（振動発電素子の概略構造）
図３は、本発明によるエレクトレット膜を備えた立体型櫛歯電極からなる振動発電素子２０の全体構造を簡略化して示したものである。櫛歯電極の櫛歯の数は振動発電素子の出力の仕様に対応して適宜増減して作製される。
この振動発電素子２０は立体型可動櫛歯電極２１と立体型固定櫛歯電極２２を備える。図示は省略するが立体型可動櫛歯電極２１は、立体型可動櫛歯電極２１と立体型固定櫛歯電極２２が製造される製造プロセスで一緒に製造される、バネ性を持った支持体で支持され、外部からの振動によって振動する。立体型可動櫛歯電極２１の表面には、Ｋ＋イオンを含むエレクトレット膜が形成されており、立体型可動電極２１が振動すると、出力端子２３と２４の間に出力電圧が出力される。なお、出力を電流として利用する場合は、例えば出力抵抗２５の代わりに、整流回路を接続し、さらに整流後のＤＣ電流を蓄えるコンデンサを用いる。
【0023】
図４は、図３の振動発電素子２０の立体型可動櫛歯電極２１および立体型固定櫛歯電極２２の表面に形成されたエレクトレット膜の構造を概略的に示したものである。図１、図３と対応する部分については同じ参照番号で示してある。立体型可動櫛歯電極２１でのＫ＋イオンの分布と、立体型固定櫛歯電極２２でのＫ＋イオンの分布は異なるが、これは後述する、本発明によるエレクトレット膜の形成方法によるものである。なお、立体型可動櫛歯電極２１、立体型固定櫛歯電極２２は共に同じプロセスで作製されるが、ＢＴ法によるＫ＋イオンの移動によって、双方の電極でＫ＋イオンの分布が異なる分布となる。Ｋ＋イオンの分布も含め、立体型可動櫛歯電極表面のエレクトレットが、図１で説明したエレクトレット膜の構造と同等なものとなる。
【0024】
（振動発電素子の製造プロセス）図５Ａ〜図５Ｏを参照して、本発明による振動発電素子の製造方法を説明する（［１］〜［１５］）。
［１］本発明による振動発電素子の製造プロセスの第１のステップでは、まず、ＬＰＣＶＤプロセスを用いて、Ｓｉ基板３１の上にＳｉＯ２層３２とＳｉ層３３を形成する（図５Ａ）。
なお、ここでは詳細な説明は省略するが、Ｓｉ基板３１は、このＳｉ基板に導電性を持たせるように適宜ドーピングを行ったＳｉ基板を用いている。このドーピングは導電性を持たせるためだけであるので、Ｐ型あるいはＮ型どちらの特性であっても構わない。
［２］次に第２のステップ（図５Ｂ）では、図５ＡのＳｉ層３３の上にフォトリソを用いて、立体型可動櫛歯電極と立体型固定櫛歯電極に接続用電極を形成するための準備として、この接続用電極の保護用の窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）３４を成膜する。
［３］続いて、第３のステップでこの窒化膜３４の上に、レジストを塗布し、フォトリソを用いて立体型可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の接続用電極形成用のレジストパターン３５Ａ、３５Ｂを形成する（図５Ｃ）。
［４］この後、第４のステップでＲＩＥ等を用いて基板の表側からエッチングし、接続電極部以外の窒化膜を除去する（図５Ｄ）。
［５］第５のステップ（図５Ｅ）では、図５Ｄに示す基板の上に、レジストを塗布し、フォトリソを用いて立体型可動櫛歯電極および立体型可動櫛歯電極を形成するためのレジストパターン３６、３７を形成する。なお、ここでは簡単のため、立体型可動櫛歯電極の櫛歯は１本、またこれに対向する立体型可動櫛歯電極の櫛歯は２本として示している。実際は立体型櫛歯電極に要求される出力に応じて、櫛歯の数はそれぞれ複数と作製される。
［６］続いて第６のステップ（図５Ｆ）で、ＲＩＥ等を用いて、図５Ｆに示すＳｉ層３１をエッチングし、立体型可動櫛歯電極側の櫛歯パターン３８と立体型固定櫛歯電極側の櫛歯パターン３９を形成する。
［７］第７のステップ（図５Ｇ）では、図５Ｈの基板を反転して、基板裏側に立体型可動櫛歯電極および立体型固定櫛歯電極の支持枠の形成用レジストパターン４０を形成する。
［８］更に第８のステップで、ＲＩＥ等を用いて、Ｓｉ層３１をエッチングし、立体型可動櫛歯電極４１、立体型固定櫛歯電極４２、およびこれらの櫛歯電極の支持枠の形状を完成させる（図５Ｈ）。この時、立体型櫛歯電極がバネ性の支持部（次のステップで説明）が同時に形成される。
なお、このエッチングでは特にＩＣＰ−ＲＩＥを用いると効率良くエッチングできる。
［９］第９のステップでは、図５Ｈの状態の状態の立体型可動櫛歯電極、立体型固定櫛歯電極、およびこれらの支持枠のＳｉで構成された基材部分の表面を酸化してＳｉＯ２層を形成する。この時、上記で図１、図２を参照して説明したように、水酸化カリウムの水溶液から発生される水蒸気を用いたウェット酸化方法を用いて、Ｋ＋イオンを含有したＳｉＯ２層を形成する（図５Ｉ（ａ））。なお、図５Ｉでは、図５Ｈで示した状態を再度上下反転した正立状態で示している。
図５Ｉ（ｂ）と図５Ｉ（ｃ）はそれぞれこのように処理した、立体型可動櫛歯電極４４の１本の櫛歯の断面Ａと立体型固定櫛歯電極４６の１本の櫛歯の断面Ａ’を示す。それぞれの電極の櫛歯には、中心のＳｉ基材（５０、５２）の回りにＫ＋イオンを含有したＳｉＯ２層（５１、５３）が形成されている。
なお、図５Ｉ（ａ）の参照番号４８、４９は上記の第８のステップで形成された、立体型可動櫛歯電極４１の支持部であり、この支持部の表面にも第９のステップでＳｉＯ２層が形成される。
［１０］第１０のステップでは、図５Ｉの状態の櫛歯（５４、５５）に、更にＳｉ３Ｎ４膜を形成する（図５Ｊ）。図５Ｉの場合と同様に、図５Ｊ（ｂ）と図５Ｊ（ｃ）はそれぞれ、この状態の立体型可動櫛歯電極５４の１本の櫛歯の断面Ａと立体型固定櫛歯電極５５の１本の櫛歯の断面Ａ’を示す。Ｋ＋イオンを含有したＳｉＯ２層５１、５３の外側にＳｉ３Ｎ４膜５８、５９が形成されている。
Ｓｉ３Ｎ４膜は緻密で、常温ではＫ＋イオンはこのＳｉ３Ｎ４膜を貫通して外側のＳｉＯ２層に拡散することはない。
［１１］第１１のステップ（図５Ｋ）では、ＴＥＯＳＣＶＤプロセスを用いて、Ｓｉ３Ｎ４膜５８、５９の上に更にＳｉＯ２層５８、５９を形成し、立体型可動櫛歯電極６０と立体型固定櫛歯電極６１とする。この状態では、図５Ｋ（ｂ）、（ｃ）で示すように、それぞれの櫛歯電極６０、６１の櫛歯のＫ＋イオンはＳｉ３Ｎ４膜５８、５９の内側に閉じ込められている。
［１２］第１２のステップ（図５Ｌ）では、可動櫛歯電極および固定櫛歯電極に接続電極を形成するために、図５Ｋで示す接続電極形成部６６、６７の部分をＲＩＥ等でエッチングし、図５ＬのようにＳｉの部分が露出した接続電極形成部６８、６９とする。このエッチングの際は、接続電極形成部６６、６７以外がエッチングされないように適宜マスクしてエッチングを行う。
［１３］第１３のステップ（図５Ｍ）では、図５Ｌの接続電極形成部６８、６９に蒸着あるいはスパッタリング等で接続電極７０、７１を形成する。
［１４］第１４のステップ（図５Ｎ）ではＢ−Ｔ処理を行う。図５Ｍの状態の立体型可動櫛歯電極６０と立体型固定櫛歯電極６１を加熱し、これら電極の間に、立体型可動櫛歯電極を正電圧とするように、バイアス電源６０により電圧を印加する（図５Ｉ（ａ）〜（ｃ））。なお、電極への電圧の印加は、立体型可動櫛歯電極６０の接続電極７０および立体型固定櫛歯電極６１の接続電極７１にバイアス電源７２を接続して行っている。
［１５］以上の第１のステップから第１４のステップの処理プロセスにより、Ｓｉ基材の上に２つのＳｉＯ２層と、この２つのＳｉＯ２層の間にＳｉ３Ｎ４膜からなる絶縁層を備え、この絶縁層にエレクトレット電極が形成された立体型可動櫛歯電極２１と立体型固定櫛歯電極２２を備えた振動発電素子が完成する（図５Ｎ（ａ））。この状態で、立体型可動櫛歯電極２１の櫛歯では、図５Ｊ（ｂ）に示すように、Ｋ＋イオンがＳｉ３Ｎ４膜５０の外側のＳｉＯ２層７５の表面付近まで移動している。また立体型固定櫛歯電極２２の櫛歯では、Ｋ＋イオンは、図５Ｊ（ｃ）に示すように、櫛歯の中心のＳｉ基材５０の付近に移動している。
【0025】
上記のプロセスでは、常温でＫ＋イオンを透過しない膜としてＳｉ３Ｎ４膜を２つのＳｉＯ２膜の間に形成する例を示したが、一般にＳｉＮｘ膜は緻密であり、Ｋ＋イオンを常温では透過しないので、ＳｉＮｘ膜の組成としてＳｉ３Ｎ４以外の組成であってもよい。
【0026】
（通電加熱によるＢ−Ｔ処理）上記で説明した本発明によるエレクトレット膜およびこれを用いた振動発電素子の製造工程のＢ−Ｔ処理（図５Ｎ）では、外部から加熱するように説明したが、以下のような方法で、立体型可動櫛歯電極自体を発熱させることによりＢ−Ｔ処理を行うことができる。
図６は、図５Ｉに示すＢ−Ｔ処理での加熱を、立体型可動櫛歯電極６０に通電することによって立体型可動櫛歯電極６０自体の発熱によって行う場合の、電源接続図である。Ｋ＋イオンの移動を行うための電界も同時に印加するため、バイアス電源７２の上に、立体型可動櫛歯電極６０に通電するヒータ電源８０が設けられている。また、可動櫛歯電極６０の加熱は、可動櫛歯電極６０の２つの接続電極７０、７７にヒータ電源７８を接続することによって行われる。
上記のプロセスでは図示および説明を省略したが、通電加熱用接続電極７７は、上記の接続電極７０、７１と同時に形成される。
【0027】
なお、図６では通電加熱をＢ−Ｔ処理に用いる場合は、可動櫛歯電極６０に、この通電加熱用の電源電圧によって電位勾配が発生するので、実際の通電加熱に際しては、データー電源８０の極性を適宜逆転しながら行う。あるいは、ヒーター電源にＤＣ電源でなく交流電源を用いてもよい。
【0028】
以上で説明したような作製プロセスにより、小型で出力密度が高く、かつ電荷保持期間の長い、すなわち寿命の長いエレクトレット膜を備えた立体型櫛歯電極ならびに振動発電素子を作製することができる。上記で説明したように、この立体型櫛歯電極の櫛歯の数は、振動発電素子として要求される発電量（電圧、電流）に対応して適宜決定される。また当然ながら、各々の櫛歯の大きさ（長さ、高さ）も、この要求される発電量に対応して適宜設計可能である。
【0029】
なお、上記の実施形態では、エレクトレット膜を形成するためのイオンとしてＫ＋イオンを使用した例を説明したが、Ｋ＋イオン以外の正イオンであっても本発明によるエレクトレット膜の構造を用いることができる。正イオンの中でも、イオン半径の大きいアルカリイオンを用いると、エレクトレット形成後のイオン移動が少なく、従って表面電位の保持期間の長いエレクトレット膜とすることができる。この場合、上記で説明したウェット酸化で、水酸化カリウム水溶液の代わりに、Ｋ＋イオン以外のアルカリイオンを含むような水溶液を用いてを行う。
【0030】
また、上記のプロセスでは、常温でＫ＋イオンを透過しない膜として、ＳｉＮｘ膜を形成するとしたが、Ｋ＋イオンやアルカリイオンを常温で透過しない材質のものであれば、ＳｉＮｘ膜に限定しない。
【0031】
また、本発明によるエレクトレット膜を備えた立体型櫛歯電極は、振動発電素子として様々な装置に使用することができる。たとえば、マイクロフォン、小型スピーカー、などのトランスデューサーや時計用の発電素子などとして応用が可能である。
【0032】
以上の説明は本発明の実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態や実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。
【符号の説明】
【0033】
１・・・Ｓｉ基板２・・・ＳｉＯ２層
３・・・ＳｉＮｘ膜
４・・・ＳｉＯ２層
５・・・電極
６・・・電極
７・・・ヒーター
１０・・・Ｎ２ガス
１１・・・水酸化カリウム溶液
１２・・・加熱炉
１３・・・ヒーター
２０・・・振動発電素子
２１・・・立体型可動櫛歯電極
２２・・・立体型固定櫛歯電極
２３・・・出力端子
２４・・・出力端子
２５・・・出力抵抗
３１・・・Ｓｉ層
３２・・・ＳｉＯ２層
３３・・・Ｓｉ層
３４・・・電極保護用窒化膜
３５Ａ、３５Ｂ・・・接続電極形成用レジストパターン
３６・・・可動櫛歯電極形成用レジストパターン
３７・・・固定櫛歯電極形成用レジストパターン
３８・・・可動櫛歯電極パターン
３９・・・固定櫛歯電極パターン
４０・・・支持枠形成用レジストパターン
４１・・・立体型可動櫛歯電極
４２・・・立体型固定櫛歯電極
４３・・・支持枠
４４・・・立体型可動櫛歯電極
４５・・・立体型固定櫛歯電極
４６・・・支持枠
４７・・・ＳｉＯ２層（Ｋ＋イオン含有）
４８・・・支持部
４９・・・支持部
５０・・・Ｓｉ層
５１・・・ＳｉＯ２層（Ｋ＋イオン含有）
５２・・・Ｓｉ層
５３・・・ＳｉＯ２層（Ｋ＋イオン含有）
５４・・・立体型可動櫛歯電極
５５・・・立体型固定櫛歯電極
５６・・・支持枠
５７・・・Ｓｉ３Ｎ４膜
５８・・・Ｓｉ３Ｎ４膜
５９・・・Ｓｉ３Ｎ４膜
６０・・・立体型可動櫛歯電極
６１・・・立体型固定櫛歯電極
６２・・・支持枠
６３・・・ＳｉＯ２層
６４・・・ＳｉＯ２層
６５・・・ＳｉＯ２層
６６・・・接続電極形成部
６７・・・接続電極形成部
６８・・・接続電極形成部
６９・・・接続電極形成部
７０・・・立体型可動櫛歯電極の接続電極
７１・・・立体型固定櫛歯電極の接続電極
７２・・・バイアス電源
７３・・・ＳｉＯ２層
７４・・・ＳｉＯ２層（Ｋ＋イオン含有）
７５・・・ＳｉＯ２層（Ｋ＋イオン含有）
７６・・・ＳｉＯ２層
７７・・・可動櫛歯電極の通電加熱用接続電極
７８・・・ヒーター電源