特許 6309283 エレクトレットとその製造方法、並びに、これを用いた発電装置

(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】6309283

(24)【登録日】2018年3月23日

(45)【発行日】2018年4月11日

(54)【発明の名称】エレクトレットとその製造方法、並びに、これを用いた発電装置

(51)【国際特許分類】

   H01G 7/02 20060101AFI20180402BHJP

   B32B 5/18 20060101ALI20180402BHJP

   B32B 7/02 20060101ALI20180402BHJP

   B32B 9/00 20060101ALI20180402BHJP

   H02N 1/08 20060101ALI20180402BHJP

【ＦＩ】

   H01G7/02 D

   B32B5/18

   B32B7/02 104

   B32B9/00 A

   H02N1/08

   H01G7/02 B

   H01G7/02 A

   H01G7/02 E

【請求項の数】16

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2014-11084(P2014-11084)

(22)【出願日】2014年1月24日

(65)【公開番号】特開2015-138930(P2015-138930A)

(43)【公開日】2015年7月30日

【審査請求日】2016年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】399030060

【氏名又は名称】学校法人 関西大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】特許業務法人 佐野特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100085501

【弁理士】

【氏名又は名称】佐野 静夫

(74)【代理人】

【識別番号】100134555

【弁理士】

【氏名又は名称】林田 英樹

(72)【発明者】

【氏名】青柳 誠司

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 昌人

(72)【発明者】

【氏名】高橋 智一

(72)【発明者】

【氏名】吉川 泰弘

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１４１１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１２０８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１９０１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２００１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５８８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２８３３７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｇ ７／０２

Ｂ３２Ｂ ５／１８

Ｂ３２Ｂ ７／０２

Ｂ３２Ｂ ９／００

Ｈ０２Ｎ １／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン層のアノードエッチングにより形成したポーラスシリコン層を絶縁化したポーラス構造のポーラス層と、
前記シリコン層を絶縁化した非ポーラス構造のベース層と、
を交互に複数積層して成ることを特徴とするエレクトレット。

【請求項2】

前記ポーラス層と前記ベース層は、前記シリコン層の酸化物、窒化物、若しくは、炭化物であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット。

【請求項3】

前記シリコン層によって形成された下地層をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエレクトレット。

【請求項4】

前記シリコン層は、ドーパントが添加されたシリコンから成ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のエレクトレット。

【請求項5】

シリコン層にアノードエッチング処理を用いたポーラス化処理を施すステップと、
前記ポーラス化処理が施されたシリコン層に絶縁化処理を施すステップと、
を有することを特徴とするエレクトレットの製造方法。

【請求項6】

前記ポーラス化処理によって前記シリコン層を第１の深さまでポーラス化するとともに、前記絶縁化処理によって前記シリコン層を前記第１の深さよりも大きい第２の深さまで絶縁化することにより、非ポーラス構造のベース層とポーラス構造のポーラス層を形成することを特徴とする請求項５に記載のエレクトレットの製造方法。

【請求項7】

前記シリコン層を積層形成するステップをさらに有し、
前記ポーラス化処理は、前記シリコン層を積層形成する毎に実施され、
前記絶縁化処理は、一層分のポーラス化処理が完了する毎に実施される、或いは、複数層分のポーラス化処理が完了する毎に実施される、若しくは、全ての層のポーラス化処理が完了した後に実施される、
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のエレクトレットの製造方法。

【請求項8】

前記アノードエッチング処理に用いられるエッチング溶液は、フッ化水素、イオン交換水、及び、エタノールを含むことを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載のエレクトレットの製造方法。

【請求項9】

前記絶縁化処理は、酸化処理、窒化処理、または、炭化処理であることを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれか一項に記載のエレクトレットの製造方法。

【請求項10】

前記酸化処理は、水蒸気雰囲気中で実施されることを特徴とする請求項９に記載のエレクトレットの製造方法。

【請求項11】

エレクトレットを有し、振動に伴う静電容量の変化を利用して発電を行う発電装置であって、
前記エレクトレットは、
シリコン層のアノードエッチングにより形成したポーラスシリコン層を絶縁化したポーラス構造のポーラス層と、
前記シリコン層を絶縁化した非ポーラス構造のベース層と、
を有し、
前記ポーラス層の厚みは、０μｍよりも大きく２μｍよりも小さいことを特徴とする発電装置。

【請求項12】

前記ベース層の厚みは、０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１１に記載の発電装置。

【請求項13】

エレクトレットを有し、振動に伴う静電容量の変化を利用して発電を行う発電装置であって、
前記エレクトレットは、
シリコン層のアノードエッチングにより形成したポーラスシリコン層を絶縁化したポーラス構造のポーラス層と、
前記シリコン層を絶縁化した非ポーラス構造のベース層と、
を有し、
前記ベース層の厚みは、０．２μｍ以上であることを特徴とする発電装置。

【請求項14】

誘電体をさらに有し、振動を受けて前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することにより発電を行うことを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか一項に記載の発電装置。

【請求項15】

所定のギャップ距離を隔てて前記エレクトレットと相対する対向電極をさらに有し、振動を受けて前記対向電極と前記エレクトレットとの重なり面積が変化することにより発電を行うことを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか一項に記載の発電装置。

【請求項16】

前記エレクトレットの表面は、前記対向電極と同一の間隔でパターニングされていることを特徴とする請求項１５に記載の発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エレクトレットとその製造方法、並びに、これを用いた発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、低消費電力の電子機器（無線センサネットワークなど）向けに期待されている電源として、環境中の振動から電力を生み出す振動型の環境発電装置（ＶＥＨ［vibrating energy harvester］）が広く開発されている。環境中における振動の周波数は、一般に数Ｈｚ〜数十Ｈｚのオーダーであるので、エレクトレットを用いた静電型ＶＥＨで生成される電力は、磁石を用いた電磁型ＶＥＨで生成される電力よりも一般的に高い。

【0003】

なお、ＭＥＭＳ［micro electromechanical system］技術を用いて製造されるＶＥＨに関連する背景技術としては、例えば、本願の出願人らによって提案された特許文献１〜３を挙げることができる。また、エレクトレットに関連する背景技術としては、例えば、非特許文献１〜３を挙げることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−６６９６１公報

【特許文献2】特開２０１３−５５７２４公報

【特許文献3】特開２０１３−１５０３８７公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】K.Kashiwagi,K.Okano,T.Miyajima,Y.Sera,N.Tanabe,Y.Morizawa,and Y.Suzuki,"Nano-cluster-enhanced high-performance perfluoro-polymer electrets for energy harvesting",J.Micromech.Microeng.21(2011)125016(8pp)

【非特許文献2】N.Behrendt,C.Greiner,F.Fischer,T.Frese,V.altstadt,H.-W.Schmidt,R.Giesa,J.Hillenbrand,and G.M.Sessler,"Morphology and electret behaviour of microcellular high glass temperature films",Appl.Phys.A85,87-93(2006)

【非特許文献3】M.Wegener,W.Wirges,and B.Tiersch,"Porous polytetrafluoroethylene(PTTE) electret films: porosity and time dependent charging behavior of the free surface",J Porous Mater(2007) 14:111-118

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

エレクトレットの表面電荷密度は、ＶＥＨ用途において最も重要な特性である。なぜなら、ＶＥＨで生成される電力は、理論上エレクトレットの表面積に比例するからである。従来、エレクトレットの素材としては、フッ化炭素ポリマーや二酸化珪素（ＳｉＯ₂）が最も多く用いられている。これは、上記の素材が他の素材に比べてより多くの電荷を保持できるからである。ＣＹＴＯＰ［登録商標］は、エレクトレット素材としてよく知られているフッ化炭素ポリマーである。ＣＹＴＯＰの表面電荷密度や経時的安定性は、ＳｉＯ₂のそれよりも優れている。ＣＹＴＯＰに捕捉される電荷密度は、ＣＹＴＯＰにナノクラスターを導入することにより高めることができる（図２の左欄を参照）。これは、電荷がナノクラスターとＣＹＴＯＰとの界面で捕捉されるからである。しかしながら、ＣＹＴＯＰの熱耐性は、ＳｉＯ₂の熱耐性よりも低い。これは、ＣＹＴＯＰが有機素材であることに起因する。

【0007】

本発明は、上記の課題に鑑み、高い表面電位と高い熱耐性を併せ持つエレクトレット及びその製造方法、並びに、これを用いた発電装置を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るエレクトレットは、少なくとも一部がポーラス構造を持つ無機絶縁体によって形成されている構成（第１の構成）とされている。

【0009】

なお、上記第１の構成から成るエレクトレットは、非ポーラス構造のベース層とポーラス構造のポーラス層とを有する構成（第２の構成）にするとよい。

【0010】

また、上記第２の構成から成るエレクトレットにおいて、前記ベース層と前記ポーラス層は、交互に複数積層されている構成（第３の構成）にするとよい。

【0011】

また、上記第１〜第３いずれかの構成から成るエレクトレットにおいて、前記無機絶縁体は、無機半導体または無機導体の酸化物、窒化物、若しくは、炭化物である構成（第４の構成）にするとよい。

【0012】

また、上記第４の構成から成るエレクトレットは、前記無機半導体または前記無機導体によって形成された下地層をさらに有する構成（第５の構成）にするとよい。

【0013】

また、上記第４または第５の構成から成るエレクトレットにおいて、前記無機半導体はドーパントが添加されたシリコンである構成（第６の構成）にするとよい。

【0014】

また、本発明に係るエレクトレットの製造方法は、無機半導体または無機導体にポーラス化処理を施すステップと、前記ポーラス化処理が施された無機半導体または無機導体に絶縁化処理を施すステップと、を有する構成（第７の構成）とされている。

【0015】

なお、上記第７の構成から成るエレクトレットの製造方法は、前記ポーラス化処理によって前記無機半導体または前記無機導体を第１の深さまでポーラス化するとともに、前記絶縁化処理によって前記無機半導体または前記無機導体を前記第１の深さよりも大きい第２の深さまで絶縁化することにより、非ポーラス構造のベース層とポーラス構造のポーラス層を有する無機絶縁体を形成する構成（第８の構成）にするとよい。

【0016】

また、上記第８の構成から成るエレクトレットの製造方法は、無機半導体または無機導体を積層形成するステップをさらに有し、前記ポーラス化処理は、前記無機半導体または前記無機導体を積層形成する毎に実施され、前記絶縁化処理は、一層分のポーラス化処理が完了する毎に実施される、或いは、複数層分のポーラス化処理が完了する毎に実施される、若しくは、全ての層のポーラス化処理が完了した後に実施される構成（第９の構成）にするとよい。

【0017】

また、上記第７〜第９いずれかの構成から成るエレクトレットの製造方法で、前記ポーラス化処理は、アノードエッチング処理である構成（第１０の構成）にするとよい。

【0018】

また、上記第１０の構成から成るエレクトレットの製造方法において、前記アノードエッチング処理に用いられるエッチング溶液は、フッ化水素、イオン交換水、及び、エタノールを含む構成（第１１の構成）にするとよい。

【0019】

また、上記第７〜第１１いずれかの構成から成るエレクトレットの製造方法において、前記絶縁化処理は、酸化処理、窒化処理、または、炭化処理である構成（第１２の構成）にするとよい。

【0020】

また、上記第１２の構成から成るエレクトレットの製造方法にて、前記酸化処理は、水蒸気雰囲気中で実施される構成（第１３の構成）にするとよい。

【0021】

また、本発明に係る発電装置は、少なくとも一部がポーラス構造を持つ無機絶縁体によって形成されたエレクトレットを有し、振動に伴う静電容量の変化を利用して発電を行う構成（第１４の構成）とされている。

【0022】

なお、上記第１４の構成から成る発電装置において、前記エレクトレットは、非ポーラス構造のベース層とポーラス構造のポーラス層とを有する構成（第１５の構成）にするとよい。

【0023】

また、上記第１５の構成から成る発電装置において、前記ポーラス層の厚みは、０μｍよりも大きく２μｍよりも小さい構成（第１６の構成）にするとよい。

【0024】

また、上記第１５または第１６の構成から成る発電装置において、前記ベース層の厚みは、０．２μｍ以上である構成（第１７の構成）にするとよい。

【0025】

また、上記第１４〜第１７いずれかの構成から成る発電装置は、誘電体をさらに有し、振動を受けて前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することにより発電を行う構成（第１８の構成）にするとよい。

【0026】

また、上記第１４〜第１７いずれかの構成から成る発電装置は、所定のギャップ距離を隔てて前記エレクトレットと相対する対向電極をさらに有し、振動を受けて前記対向電極と前記エレクトレットとの重なり面積が変化することにより発電を行う構成（第１９の構成）にするとよい。

【0027】

また、上記第１９の構成から成る発電装置において、前記エレクトレットの表面は、前記対向電極と同一の間隔でパターニングされている構成（第２０の構成）にするとよい。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、高い表面電位と高い熱耐性を併せ持つエレクトレットを実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】エレクトレットと強誘電体を用いた発電装置の概略図

【図2】高い表面電荷密度を持つポーラスＳｉＯ₂エレクトレットの概念図

【図3】ポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを製造するためのプロセスフロー図

【図4】ベースＳｉＯ₂上に形成されたポーラスＳｉＯ₂の概略断面図

【図5】ＦＥ−ＳＥＭ写真の一例を示す図

【図6】エレクトレットに対する電荷注入用コロナ放電の機構図

【図7】ベースＳｉＯ₂上のポーラスＳｉＯ₂の厚みと表面電位との相関図

【図8】ベースＳｉＯ₂上のポーラスＳｉＯ₂の表面電荷密度の時間依存性を示す図

【図9】加熱温度と正規化表面電荷密度との相関図

【図10】自由振動による発電確認用の実験機構図

【図11】負荷抵抗と出力電力との相関図

【図12】表面電位の時間依存性を示す図（ベース0.8um、ポーラス0-1um）

【図13】表面電位の時間依存性を示す図（ベース0.4um、ポーラス0-1um）

【図14】表面電位の時間依存性を示す図（ベース0.4um/0.8um、ポーラス0.2um）

【図15】表面電位の時間依存性を示す図（ベース0.2/0.4/0.8um、ポーラス1.0um）

【図16】ポーラス膜厚と発電量との相関図（ベース0.4/0.8um）

【図17】ナノポーラス層とベース層の多層化を実現する第１のプロセスフロー図

【図18】ナノポーラス構造の一例を示す模式断面図

【図19】ナノポーラス層とベース層の多層化を実現する第２のプロセスフロー図

【図20】発電装置の第１構成例を示す模式図

【図21】発電装置の第２構成例を示す模式図

【図22】エレクトレットのパターニング例を示す模式断面図

【図23】パターニングを実現する第１のプロセスフロー図

【図24】パターニングを実現する第２のプロセスフロー図

【発明を実施するための形態】

【0030】

＜序論＞
エレクトレットは、半永久的に電荷を保持する誘電材料である。本願の発明者らは、これまでにも、エレクトレットを用いた静電型ＶＥＨを多数開発している。また、本願の発明者らは、図１で示すように、ベース電極上の固定エレクトレットと、対向電極と共に垂直振動バネで懸架された強誘電体平板（チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）など）とから成る新規なＶＥＨも開発している。なお、図１（ａ）は初期状態、図１（ｂ）はプルーフマスが下方に変位した状態、及び、図１（ｃ）はプルーフマスが上方に変位した状態をそれぞれ示している。

【0031】

本明細書では、ナノポーラス構造を持つＳｉＯ₂によって形成された新規なエレクトレットを提案する。ナノポーラスＳｉＯ₂中に存在する多くのボイドは、ＣＹＴＯＰ中のナノクラスターと同様の挙動を示すことが期待される。そのため、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットは、高い表面電荷密度と熱耐性を併せ持つことが期待される。

【0032】

図２は、今回提案するナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットの概念図である。なお、図２において、右欄には今回提案するナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットが描写されており、左欄にはナノクラスター（アミノシラン）を導入したポリマーエレクトレットが対比のために描写されている。

【0033】

本明細書では、エレクトレットとして用いられるナノポーラスＳｉＯ₂の製造方法とその諸特性（表面電荷密度の熱的安定性を含む）を提供する。また、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを用いたＶＥＨの出力電力についても後ほど紹介する。

【0034】

＜実験及び結果＞
１．ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットの製造
図３は、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを製造するためのプロセスフロー図である。本実験ではナノポーラスＳｉＯ₂をナノポーラスＳｉの熱酸化によって製造した。

【0035】

まず、低抵抗のシリコン基板（ｐ型、面方位（１００）、＜０．０１Ω・ｃｍ、厚み５００μｍ、図３（ａ）を参照）をフッ化水素酸溶液中でアノードエッチングすることにより、シリコン基板の表面上にナノポーラス層を形成した（図３（ｂ）を参照）。アノードエッチング処理に用いたエッチング溶液は、フッ化水素１０％、イオン交換水１０％、及び、エタノール８０％を配合したものである。また、本実験では、エッチング電流を１０ｍＡ／ｃｍ²とし、電極間距離を２ｃｍとしてアノードエッチング処理を行った。

【0036】

次に、１０００℃のイオン交換水の水蒸気雰囲気中において、ナノポーラス層が形成されたシリコン基板を熱酸化させた（図３（ｃ）を参照）。酸素はナノポーラスシリコン層を急速に拡散するので、ナノポーラスシリコン層の酸化とともに、ナノポーラスシリコン層下の非ナノポーラスシリコン層も酸化された（図３（ｄ）を参照）。本明細書では、ナノポーラスＳｉＯ₂の下層にある通常（すなわち非ナノポーラス）のＳｉＯ₂層を「ベースＳｉＯ₂」と呼ぶ。ナノポーラスＳｉＯ₂の厚み（ｔ_porous）とベースＳｉＯ₂の厚み（ｔ_base）は、それぞれ、アノードエッチング時間と熱酸化時間によって制御した。

【0037】

本明細書では、図４で示すように２種類の試料を作成した。第１試料では、厚いベースＳｉＯ₂（ｔ_base＝０．８μｍ）上に厚みの異なるナノポーラスＳｉＯ₂（ｔ_porous＝０−１．０μｍ）を形成した（図４（ａ）を参照）。一方、第２試料では、薄いベースＳｉＯ₂（ｔ_base＝０．２μｍ）上に厚みの異なるナノポーラスＳｉＯ₂（ｔ_porous＝０−１．０μｍ）を形成した（図４（ｂ）を参照）。なお、第１試料生成時の熱酸化時間は６時間であり、第２試料生成時の熱酸化時間は２０分程度である。

【0038】

図５は、ベースＳｉＯ₂上に形成されたナノポーラスＳｉＯ₂のＦＥ−ＳＥＭ［field emission - scanning electron microscopy］写真である。なお、図５（ａ）〜（ｃ）はナノポーラスＳｉ（熱酸化前）の平面図及び断面図であり、図５（ｄ）〜（ｆ）はベースＳｉＯ₂上に形成されたナノポーラスＳｉＯ₂（熱酸化後）の平面図及び断面図である。これらの写真から、ナノポーラスＳｉＯ₂中のボイドサイズが数十ｎｍオーダーであることが分かる。

【0039】

次に、負電荷（電子）をコロナ放電法によってそれぞれの試料に注入した。図６は、エレクトレットに対する電荷注入用コロナ放電の機構図である。各試料の表面電荷密度は、静電電圧計（Ｍｏｄｅｌ２７９、Monroe Electronics社製）で測定した各々の表面電位から算出した。

【0040】

比較用のエレクトレットとして通常のＳｉＯ₂とＣＹＴＯＰ膜も製造した。ベースＳｉＯ₂上のナノポーラスＳｉＯ₂、ないし、通常のＳｉＯ₂において、低抵抗のシリコン基板は、ベース電極として機能する。一方、ＣＹＴＯＰ膜は、アルミニウム電極を持つ石英基板上に形成した。

【0041】

２．ベースＳｉＯ₂上のナノポーラスＳｉＯ₂に注入した電荷の時間依存性と熱的安定性
図７は、ベースＳｉＯ₂上に形成されたナノポーラスＳｉＯ₂の厚み（ｔ_porous）と、電荷注入直後の初期表面電位Ｖとの相関図である。本図で示すように、表面電荷密度に比例する初期表面電位Ｖは、ｔ_baseとｔ_porousの双方に依存する。高い表面電位を得るには比較的厚いベースＳｉＯ₂が必要であることが分かる。

【0042】

図８は、ベースＳｉＯ₂上に形成されたナノポーラスＳｉＯ₂の表面電荷密度（ａ）及び正規化表面電荷密度（ｂ）の時間依存性を示す図である。本図で示したように、ベースＳｉＯ₂が厚い（ｔ_base＝０．８μｍ）とき、ナノポーラスＳｉＯ₂（ｔ_porous＝０．６μｍ）中における電荷密度の減少率は、ＣＹＴＯＰ中の電荷減少率と同程度であった。これは、通常のＳｉＯ₂中における電荷密度の減少率よりも非常に良好な結果である。ベースＳｉＯ₂が薄い（ｔ_base＝０．２μｍ）とき、ナノポーラスＳｉＯ₂中の電荷密度は急速に減少した。これらの結果は、ベースＳｉＯ₂がナノポーラスＳｉＯ₂から基礎を成すＳｉ基板への電荷消失を妨げるバリア層として働くことを示している。

【0043】

次に、ベースＳｉＯ₂上のナノポーラスＳｉＯ₂、非ナノポーラスＳｉＯ₂、及び、ＣＹＴＯＰのそれぞれについて、試料加熱時における表面電荷密度の減少挙動を測定した。図９は、加熱温度と正規化表面電荷密度との相関図である。加熱試験の結果として、ナノポーラスＳｉＯ₂または通常ＳｉＯ₂中の電荷量は、試料温度が約１３０℃よりも高くなる条件下において、試料温度が高いほど徐々に減少した。一方、ＣＹＴＯＰ中における電荷量は、試料温度１５０℃近傍で急速に減少した。このことから、ナノポーラスＳｉＯ₂の熱耐性は、非ナノポーラスＳｉＯ₂やＣＹＴＯＰと比べて最良であることが証明された。

【0044】

３．発電試験
次に、自由振動によるＶＥＨの出力電力を示す。本試験では、ベースＳｉＯ₂上のナノポーラスＳｉＯ₂、通常のＳｉＯ₂、または、ＣＹＴＯＰ膜をエレクトレットとして用いた。図１０は、出力電力測定用の実験機構図（概略図（ａ）及び写真（ｂ））である。本実験機構では、プルーフマスがコイルバネ（バネ定数：０．３４Ｎ／ｍｍ）を用いてケースに懸架されている。ステンレス鋼製のケースは、振動発生器（ＰＥＴ−０５、ＩＭＶ社製）に固定されている。強誘電体（ＢａＴｉＯ₃）板の厚みと面積は、それぞれ０．２ｍｍ及び１６５ｍｍ²である。プルーフマス（アルミニウム製）は７０ｇｆである。オーバーラップ面積は、強誘電体板の面積と同一である。出力電力を評価するために１００ｋΩの抵抗に生じる電圧を測定した。振動振幅と周波数は、それぞれ０．４ｍｍ及び２０Ｈｚ（加速度０．６５Ｇ）である。

【0045】

図１１は、負荷抵抗と出力電力との相関図である。本図で示すように、厚いベースＳｉＯ₂（ｔ_base＝０．８μｍ）上のナノポーラスＳｉＯ₂（ｔ_porous＝０．６μｍ）をエレクトレットとして用いたときに２７０μＷの最高パフォーマンスが得られた。

【0046】

＜結論＞
上記では、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットの表面電荷密度と熱耐性について述べた。ナノポーラスＳｉＯ₂は、低抵抗シリコン基板のアノードエッチングと熱酸化によって製造した。製造されたナノポーラスＳｉＯ₂中のボイドサイズは、数十ｎｍオーダーであった。ナノポーラスＳｉＯ₂層下に存在するベースＳｉＯ₂層の厚みは、厚み表面電荷密度の経時的安定性に影響を及ぼす。これは、おそらくベースＳｉＯ₂が注入電荷の基板への散逸を妨げているからである。ベースＳｉＯ₂の厚みが０．８μｍであるとき、ベースＳｉＯ₂上のナノポーラスＳｉＯ₂のエレクトレットとしての経時的安定性及び熱的安定性は、非ナノポーラスＳｉＯ₂やＣＹＴＯＰと比べて最良であった。また、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを用いたＶＥＨで生成される出力電力は、通常のＳｉＯ₂エレクトレットやポリマーエレクトレットを用いた場合よりも大きいことが証明された。

【0047】

＜ナノポーラスＳｉＯ₂の表面電位測定＞
まず、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みによる表面電位の推移について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２及び図１３は、それぞれ、ベースＳｉＯ₂の厚みを０．８μｍ及び０．４μｍに固定し、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みを０μｍ〜１μｍとした試料の表面電位が時間の経過と共にどのように変化するかを示すものである。

【0048】

実験では、表面をナノポーラス化した試料にコロナ放電を行い、表面電位の推移を測定した。放電条件は、印加電圧−９．０ｋＶ、グリッド電圧−１．５ｋＶで、放電時間は３分である。酸化は水蒸気酸化であり、ナノポーラス層を超えて酸化を行っている。試料としては、各厚みの試料を３枚ずつ（０．８μｍのみ２枚）作製した。その中から電荷注入直後の表面電位が高かったものを示す。なお、試料のエレクトレット部の総膜厚は、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みにベースＳｉＯ₂の厚みを加えた値（グラフの凡例の値＋０．４μｍないし＋０．８μｍ）となる。

【0049】

次に、ベースＳｉＯ₂の厚みによる表面電位の推移について、図１４及び図１５を参照しながら説明する。図１４は、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みを０．２μｍに固定し、ベースＳｉＯ₂の厚みを０．４μｍまたは０．８μｍとした試料の表面電位が時間の経過と共にどのように変化するかを示すものである。同様に、図１５は、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みを１．０μｍに固定し、ベースＳｉＯ₂の厚みを０．２μｍ、０．４μｍ、０．８μｍとした試料の表面電位が時間の経過と共にどのように変化するかを示すものである。

【0050】

＜ナノポーラス膜厚及びベース膜厚による発電量の違い＞
ナノポーラスＳｉＯ₂及びベースＳｉＯ₂の厚みがそれぞれ発電量にどのように影響するかを知るために、先出の図１ないし後出の図２０に示す発電装置を用いて、大型加振による発電実験を行った。図１６は、ナノポーラスＳｉＯ₂の膜厚と発電量との相関図である。ナノポーラスＳｉＯ₂の膜厚ｔ_porousは０μｍ〜１．０μｍの８パターンであり、ベースＳｉＯ₂の膜厚ｔ_baseは０．４μｍと０．８μｍの２パターンである。コロナ放電の条件は、印加電圧−９．０ｋＶ、グリッド電圧−１．５ｋＶ、放電時間３分である。コロナ放電後、一日放置して表面電位を落ち着かせた後実験を行った。発電実験直前の表面電位は、ｔ_base＝０．８μｍの試料では−５００Ｖ程度（ただしｔ_porous＝０．５μｍの試料では−４００Ｖ）であり、ｔ_base＝０．４μｍの試料では−３００Ｖ程度であった。

【0051】

なお、ナノポーラスＳｉＯ₂及びベースＳｉＯ₂の最適な厚みは、エレクトレットの素材や用途（所望の表面電荷密度など）に応じて異なる。例えば、今回の発電実験に用いた発電装置用のエレクトレットについて言えば、本実験の結果から、ナノポーラスＳｉＯ₂及びベースＳｉＯ₂の好適な厚み範囲は、それぞれ、０μｍ＜ｔ_porous＜２μｍ（より好ましくは０．１μｍ＜ｔ_porous＜０．８μｍ）、及び、ｔ_base≧０．２μｍ（より好ましくはｔ_base≧０．８μｍ）であることが分かる。

【0052】

先の図７で示したように、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みを２倍にしても、エレクトレットの表面電荷密度は２倍にならない。この事実を鑑みると、エレクトレット中の電荷は、ナノポーラスＳｉＯ₂中に均等分布しているのではなく、ナノポーラスＳｉＯ₂とベースＳｉＯ₂の界面付近に多く捕捉されているものと考えられる。

【0053】

一方、ナノポーラスＳｉＯ₂の誘電率は空隙層の誘電率よりも高いので、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みが大き過ぎると、プルーフマスの変位に伴う静電容量の変化が小さくなってしまうので発電量が減少に転じる。このような原理により、ナノポーラスＳｉＯ₂の厚みには上限値が存在すると考えられる。なお、先に示したｔ_porousの上限値２μｍは、本実験の結果と上記の原理を鑑みて外挿的に求めた理論値である。

【0054】

＜ナノポーラスＳｉＯ₂層とベースＳｉＯ₂層の多層化＞
図１７は、ナノポーラスＳｉＯ₂層とベースＳｉＯ₂層の多層化を実現する第１のプロセスフロー図である。なお、本図のプロセスフローは、（ａ１）欄から（ａ６）欄に向けて順次進行していく。

【0055】

（ａ１）欄では、エレクトレットの基材となる無機半導体として、ドーパント（ホウ素やアルミニウムなどのアクセプタ、或いは、リンやヒ素などのドナー）が添加された導電性のシリコン（Ｓｉ）基板が描写されている。ただし、エレクトレットの基材としては、これ以外の無機半導体や無機導体を用いることも可能である。

【0056】

（ａ２）欄では、シリコン基板に対して第１の深さまでアノードエッチング処理（ナノポーラス化処理）を施すことにより、ナノポーラスＳｉ層を形成するステップが描写されている。なお、シリコン基板のアノード酸化により、ナノポーラスＳｉ層ではＳｉＯ₂が生成されているが、熱酸化処理後のナノポーラスＳｉＯ₂層と明確に区別すべく、ここではナノポーラスＳｉ層と呼んでいる。ナノポーラスＳｉ層に含まれるボイドは、必ずしも各個が分離されたものではなく、アノードエッチング溶液の浸潤に伴って縦方向や横方向に連結した構造（スポンジ構造）となっている（図１８を参照）。なお、アノードエッチング処理に際しては、基材となるシリコン基板の裏面中央部に正電圧を印加することにより、シリコン基板の表面を均一にナノポーラス化することが可能となる。

【0057】

（ａ３）欄では、ナノポーラスＳｉ層が形成されたシリコン基板に対して、第１の深さよりも大きい第２の深さまで熱酸化処理（絶縁化処理）を施すことにより、非ナノポーラス構造のベースＳｉＯ₂層と、ナノポーラス構造のナノポーラスＳｉＯ₂層とを形成するステップが描写されている。

【0058】

ここまでのプロセスは、先出の図３で説明したものと同様であり、当該プロセスによって製造されるエレクトレットは、非ナノポーラス構造のベース層とナノポーラス構造のナノポーラス層とを一層ずつ有する無機絶縁体（Ｓｉ酸化物（ＳｉＯ₂））となる。なお、シリコン基板の絶縁化処理としては、熱酸化処理以外にも窒化処理や炭化処理を用いることも可能である。その場合、エレクトレットを形成する無機絶縁体は、窒化物（ＳｉＮ）や炭化物（ＳｉＣ）となる。また、ベース層とナノポーラス層の形成手法についても、上記に限定されるものではなく、別個独立に形成されたベース層とナノポーラス層を互いに貼り合わせてエレクトレットを形成することも可能である。

【0059】

また、上記の熱酸化処理に際して、シリコン基板の下地層を熱酸化させずに残しておけば、導電性を持つ下地層をエレクトレットのベース電極として活用することができる。もちろん、シリコン基板を完全に熱酸化させて全体をエレクトレット化し、これに別途形成したベース電極を取り付けても構わない。

【0060】

さらに、図１７で提案するエレクトレットの製造プロセスは、（ａ４）欄で示す通り、ナノポーラスＳｉＯ₂層の上に別途新たなシリコン層を積層形成するステップを有する。なお、新たなシリコン層の積層形成手法としては、物理蒸着法（ＰＶＤ［physical vapor deposition］）や化学蒸着法（ＣＶＤ［chemical vapor deposition］）などの既存技術を用いればよい。

【0061】

（ａ５）欄では、新たなシリコン層に対して所定の深さまでアノードエッチング処理を施すことにより、２層目のナノポーラスＳｉ層を形成するステップが描写されている。なお、基材となるシリコン基板と新たなシリコン層との間には絶縁性のベースＳｉＯ₂層及びナノポーラスＳｉＯ₂層が存在する。従って、新たなシリコン層のアノードエッチング処理に際しては、新たなシリコン層の側端面（ないしは表面の側端部）から正電圧を印加しなければならない点に留意しておく必要がある。

【0062】

（ａ６）欄では、新たなシリコン層全体に熱酸化処理を施すことにより、２層目のベースＳｉＯ₂層とナノポーラスＳｉＯ₂層を形成するステップが描写されている。このように、ベースＳｉＯ₂層とナノポーラスＳｉＯ₂層を交互に複数積層したエレクトレットであれば、ボイドとＳｉＯ₂との界面が増えるので、より多くの電荷をより強くトラップすることが可能となる。なお、（ａ４）欄〜（ａ６）欄の各ステップ（新たなシリコン層の積層処理、アノードエッチング処理、及び、熱酸化処理）は、所望の積層数に応じて適宜繰り返せばよい。

【0063】

また、本プロセスでは、新たなシリコン層を積層形成する毎にアノードエッチング処理が実施されると共に、一層分のアノードエッチング処理が完了する毎に新たなシリコン層全体の熱酸化処理が実施される。従って、ナノポーラスＳｉＯ₂層とベースＳｉＯ₂層を２層目、３層目、４層目と増やしていく場合であっても、最表面のシリコン層に対する熱酸化処理のみを繰り返せばよいので、熱酸化処理の確実性を高めることが可能となる。

【0064】

図１９は、ナノポーラスＳｉＯ₂層とベースＳｉＯ₂層の多層化を実現する第２のプロセスフロー図である。なお、本図のプロセスフローは、（ｂ１）欄から（ｂ５）欄に向けて順次進行していく。

【0065】

（ｂ１）欄及び（ｂ２）欄では、シリコン基板に対して第１の深さまでアノードエッチング処理を施すことにより、ナノポーラスＳｉ層を形成するステップが描写されている。ここまでのプロセスは、図１７の（ａ１）欄及び（ａ２）欄と全く同様である。

【0066】

本プロセスでは、次にシリコン基板の熱酸化処理を実施するのではなく、（ｂ３）欄で示したように、ナノポーラスＳｉ層上に別途新たなシリコン層が積層形成される。なお、新たなシリコン層の積層形成手法としては、図１７の（ａ４）欄と同様、ＰＶＤやＣＶＤを用いればよい。

【0067】

（ｂ４）欄では、新たなシリコン層に対して所定の深さまでアノードエッチング処理を施すことにより、２層目のナノポーラスＳｉ層を形成するステップが描写されている。なお、本プロセスでは、基材となるシリコン基板と新たなシリコン層との間に絶縁層が存在しない。従って、新たなシリコン層のアノードエッチング処理に際しては、基材となるシリコン基板の裏面中央部に正電圧を印加することにより、新たなシリコン層の表面を均一にナノポーラス化することが可能となる。なお、（ｂ３）欄及び（ｂ４）欄の各ステップ（新たなシリコン層の積層処理、及び、アノードエッチング処理）は、所望の積層数に応じて適宜繰り返せばよい。

【0068】

（ｂ５）欄では、シリコン基板上に形成された１層目のナノポーラスＳｉ層より深い位置まで熱酸化処理を施すことにより、２層分のベースＳｉＯ₂層とナノポーラスＳｉＯ₂層を一気に形成するステップが描写されている。このようなプロセスで製造されたエレクトレットは、図１７のプロセスで製造されたエレクトレットと同じく、ベースＳｉＯ₂層とナノポーラスＳｉＯ₂層を交互に複数積層した構造となるので、より多くの電荷をより強くトラップすることが可能となる。

【0069】

また、本プロセスでは、新たなシリコン層を積層形成する毎にアノードエッチング処理が実施されると共に、全ての層のアノードエッチング処理が完了した後に全体の熱酸化処理が実施される。従って、（ｂ４）欄の説明でも述べたように、各層毎のアノードエッチング処理に際して、基材となるシリコン基板の裏面中央部から正電圧を印加することができるので、新たなシリコン層の表面を均一にナノポーラス化することが可能となる。

【0070】

ただし、本プロセスでは、非ナノポーラス構造のシリコン層が下層への酸素流入経路を遮断するように積層形成されているので、最後に熱酸化処理を行っても所望の深さまで酸素が行き渡らないおそれがある。このような不具合を回避するためには、例えば、複数層分（熱酸化処理の実施に際して支障とならない程度の積層数）のアノードエッチング処理が完了する毎に熱酸化処理を実施するプロセスが有効であると考えられる。

【0071】

＜発電装置＞
図２０は、発電装置の第１構成例を示す模式図（横方向から見た断面図）であり、第１構成例の発電装置１０は、基本的に先出の図１と同一の構成であり、誘電体１１と、エレクトレット１２と、下部電極１３と、抵抗１４と、上部電極１５と、基板１６と、空隙層１７とを有する。なお、図２０の上段には、発電装置１０の第１状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが離間した状態）が描写されており、図２０の下段には、発電装置１０の第２状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが接近した状態）が描写されている。

【0072】

以下では、説明の便宜上、特に断りのない限り、紙面の上端側を鉛直上方向と定義し、誘電体１１が上下方向（鉛直方向）に振動する構成を前提とした説明を行うが、誘電体１１の振動方向はこれに限定されるものではなく、例えば、紙面を９０度回転させることにより、誘電体が左右方向（水平方向）に振動する構成とすることも当然に可能である。

【0073】

誘電体１１は、発電装置１０に与えられる振動によってエレクトレット１２に対する相対位置が変化する可動体である。誘電体１１の下面は、空隙層１７を挟んでエレクトレット１２の上面と対向している。誘電体１１としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）などを用いることができる。誘電体１１は、板状に形成してもよいし膜状に形成してもよい。例えば、基板自体を誘電体で形成してもよいし、基板上に薄膜印刷技術で誘電体膜を形成してもよいし、或いは、別途の工程で形成しておいた板状の誘電体を基板上に貼り付けてもよい。

【0074】

エレクトレット１２は、電荷を半永久的に保持する部材である。エレクトレット１２としては、高い表面電荷密度と高い熱耐性を持つ先述のナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを用いることが望ましい。エレクトレット１２は、下部電極１３の全面を被覆するように形成されている。このように、下部電極１３を露出させない構成とすることにより、エレクトレット１２への電荷注入に際して、露出した下部電極１３への電荷流出を防止することができるので、エレクトレット１２への電荷注入効率を高めることが可能となる。

【0075】

下部電極１３は、エレクトレット１２の下面側（誘電体１１と対向していない側）に接続された第１電極（ベース電極）に相当する。下部電極１３は、抵抗１４を介して接地端に接続されている。下部電極１３としては、先にも述べたように、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットの下地層（導電性を持つシリコン基板）を活用してもよいし、或いは、別途のアルミニウム電極などを用いてもよい。

【0076】

抵抗１４は、発電装置１０の振動によって下部電極１３と接地端との間に流れる電流を電圧として取り出すための負荷である。

【0077】

上部電極１５は、誘電体１１の上面（エレクトレット１２と対向していない側）に接続された第２電極（対向電極）に相当する。上部電極１５は接地端に直接接続されている。上部電極１５としては、アルミニウム電極などを用いることができる。

【0078】

基板１６は、エレクトレット１２及び下部電極１３を担持するための板状部材である。基板１６としては、石英基板や酸化膜付きシリコンウェハなどを用いることができる。ただし、寄生容量抑制の観点から言えば、酸化膜付きシリコンウェハよりも石英基板などを用いる方が望ましい。

【0079】

空隙層１７は、誘電体１１とエレクトレット１２との間に挟まれた空間である。空隙層１７の厚み（誘電体１１とエレクトレット１２を隔てるギャップ距離）は、振動に伴う誘電体１１の変位によって変化する。空隙層１７は、低真空状態（高真空状態や超高真空状態ではない状態）としてもよいし、若しくは、空気、不活性ガス（Ｎ₂など）、或いは、放電防止効果のあるガス（例えば主成分としてＳＦ₆を含むガス）等を充填してもよい。空隙層１７を低真空状態とする場合、脱気工程を用いてもよいし、或いは、何らかの高温処理時に空隙層１７からガスが抜けて自然に低真空状態となる現象を利用してもよい。空隙層１７を高真空状態や超高真空状態にしない方が好ましい理由は、エレクトレット１２の放電を回避するためである。なお、本明細書中において、「低真空状態」とは大気圧〜１０^-1Ｐａの状態を指し、「高真空状態」とは１０^-1〜１０^-5Ｐａの状態を指し、「超高真空状態」とは１０^-5以下の状態を指すものとする。また、空隙層１７に水分が含まれていると、エレクトレット１２の表面に水分子が付着して電荷が抜けやすくなるので、空隙層１７に含まれる水分は十分に除去して湿度の低い状態としておくことが望ましい。

【0080】

上記したように、第１構成例の発電装置１０は、少なくとも一対の誘電体１１とエレクトレット１２を有し、誘電体１１とエレクトレット１２とのギャップ距離が変化することによって発電を行う構成（振動に伴う静電容量の変化を利用して発電を行う構成）とされている。以下では、その発電原理について説明する。

【0081】

図２０の上段で示したように、発電装置１０の第１状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが離間した状態）では、エレクトレット１２に保持された負の固定電荷（図２０では、白色の四角印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）に引き寄せられて、下部電極１３の表面（エレクトレット１２との界面）に金属内正電荷（図２０では、白色の丸印にプラス符号を付したシンボルとして描写）が誘起される。この金属内正電荷は、下部電極１３（金属）中のある箇所から自由電子が排除された結果、周囲に存在する自由電子との電位差により正電荷としての性質を帯びたものである。従って、上記の物理現象については、エレクトレット１２に保持された負の固定電荷によって、下部電極１３内の正電荷が引き寄せられると言うよりも、下部電極１３内の自由電子が遠ざけられると言う方が正しい。なお、下部電極１３内の金属内正電荷は接地端から供給される（下部電極１３内の自由電子は接地端に移動する）ので、下部電極１３の電位は０Ｖのままである。

【0082】

一方、図２０の下段で示したように、発電装置１０が上記の第１状態から第２状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが接近した状態）に遷移すると、エレクトレット１２に保持された負の固定電荷によって誘電体１１の内部が分極され、誘電体１１の下面に正の分極電荷（図２０では、黒色の丸印にプラス符号を付したシンボルとして描写）が局在化する。このとき、第１状態で生じていたエレクトレット１２内の負電荷と下部電極１３内の正電荷との対応関係（の一部）が解消される。この現象により、下部電極１３内には一時的に余剰の正電荷が生じる。ただし、下部電極１３は抵抗１４を介して接地端に接続されているので、一時的に上昇した下部電極１３の電位が０Ｖになるまで、下部電極１３から接地端に向けた余剰の正電荷の移動（電流）が生じる。なお、図２０の下段では、下部電極１３から正電荷の一部が移動した後の状態が示されている。下部電極１３から流出しなかった残りの電荷がＱ１である。

【0083】

また、上記とは逆に、発電装置１０が第２状態から第１状態に遷移したときには、接地端から下部電極１３に向けた正電荷の移動（すなわち電流）が生じるので、この電流を電気エネルギーとして取り出すことができる。

【0084】

なお、発電装置１０の第２状態では、誘電体１１の内部分極によって誘電体１１の上面に負の分極電荷（図２０では、黒色の丸印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）が局在化する。従って、上部電極１５の上面（誘電体１１との界面）には、上記した負の分極電荷に引き寄せられて金属内正電荷が誘起される。ただし、上部電極１５内の金属内正電荷は接地端から供給されるので、上部電極１５の電位は０Ｖのままである。

【0085】

電磁気学的に見ると、発電装置１０の第２状態は、第１状態よりも静電ポテンシャルエネルギーが低い状態（第１状態よりも正電荷と負電荷との距離が近い安定状態）である。従って、外部から運動エネルギー（振動）を与えることにより、発電装置１０を第１状態と第２状態との間で遷移させてやれば、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。

【0086】

特に、第１構成例の発電装置１０は、誘電体１１の上面に上部電極１５が設けられると共に、この上部電極１５が接地端に接続された構成とされている。このような構成とすることにより、発電装置１０の第２状態において、上部電極１５の内部に電位差を生じることがないので、第２状態のポテンシャルエネルギーを引き下げて発電効率を高めることが可能となる。ただし、上部電極１５は、発電装置１０にとって必須の構成要素ではなく、デバイス作製の容易性を優先する場合には、上部電極１５を省略することも可能である。また、両構成の折衷案として、上部電極１５を完全に排除するのではなく、これを電気的にフローティング状態の金属体に置き換えることも考えられる。

【0087】

図２１は、発電装置の第２構成例を示す模式図（横方向から見た断面図）である。第２構成例の発電装置２０は、上部基板２１と、下部基板２２と、エレクトレット２３と、対向電極２４と、ベース電極２５と、バネ２６とを有する。なお、図２１の上段には、発電装置２０の第１状態（エレクトレット２３と対向電極２４とがオーバーラップした状態）が描写されており、図２１の下段には、発電装置２０の第２状態（エレクトレット２３と対向電極２４とがオーバーラップしていない状態）が描写されている。

【0088】

このように、第２構成例の発電装置２０は、所定のギャップ距離を維持しながらエレクトレット２３と対向電極２４とのオーバーラップ面積を２軸平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の振動によって変化させることにより、対向電極２４に誘導される電荷の変化分を電流として得る構成（振動に伴う静電容量の変化を利用して発電を行う構成）とされている。

【0089】

＜エレクトレットのパターニング＞
なお、第２構成例の発電装置２０においても、エレクトレット２３としては、高い表面電荷密度と高い熱耐性を持つ先述のナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを用いることが望ましい。ただし、水平振動型である発電装置２０への適用に際しては、対向電極２４の櫛葉と各々対向するエレクトレット２３を個別に形成するのではなく、単一のベース電極２５（シリコン基板）上に形成されたエレクトレット２３の表面を対向電極２４の櫛葉と同一の間隔でパターニングする方が効率的である。以下、その手法について説明する。

【0090】

図２３は、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットのパターニングを実現する第１のプロセスフロー図である。なお、本図のプロセスフローは、（ｃ１）欄から（ｃ６）欄に向けて順次進行していく。

【0091】

（ｃ１）欄〜（ｃ４）欄では、ドープ済みシリコン基板に対してアノードエッチング処理と熱酸化処理を施すことにより、ベースＳｉＯ₂層とナノポーラスＳｉＯ₂層が形成されている。このような処理の内容については、先の図３（ａ）〜（ｄ）や図１７（ａ１）〜（ａ３）と同様である。

【0092】

ただし、本図のプロセスフローでは、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットのパターニングを実現すべく、（ｃ２）欄で示すように、シリコン基板のアノードエッチング処理前に、シリコン基板のパターニング処理（トレンチ形成処理）が実施される。なお、シリコン基板をパターニングする手法は、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。

【0093】

このように、基材となるシリコン基板を予めパターニングしておけば、これ以降、先と同様のアノードエッチング処理や熱酸化処理を実施するだけで、図２２で示したパターニング済みのナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットを製造することができる。

【0094】

なお、（ｃ４）欄までの工程で製造されるナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットは、表面の凹凸（対向電極２４とのギャップ差）のみに依存して保持電荷の分布にコントラストを付けている。このコントラストをさらに高めたければ、（ｃ５）欄及び（ｃ６）欄で示すように、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットの凸部上にレジスト層を形成してエッチング処理を施すことにより、凸部のナノポーラスＳｉＯ₂層を残しつつ、凹部のナノポーラスＳｉＯ₂層を除去すればよい。このような処理を追加すれば、凸部の電荷密度と凹部の電荷密度との間に差を付けることができるので、電荷分布のコントラストを一層高めることが可能となる。

【0095】

図２４は、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットのパターニングを実現する第２のプロセスフロー図である。なお、本図のプロセスフローは、（ｄ１）欄から（ｄ５）欄に向けて順次進行していく。

【0096】

（ｄ１）欄〜（ｄ３）欄では、ドープ済みシリコン基板に対してアノードエッチング処理と熱酸化処理を施すことにより、ベースＳｉＯ₂層とナノポーラスＳｉＯ₂層が形成されている。このような処理の内容については、先の図３（ａ）〜（ｄ）や図１７（ａ１）〜（ａ３）と同様である。

【0097】

さらに、本図のプロセスフローでは、ナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットのパターニングを実現すべく、（ｄ４）欄及び（ｄ５）欄で示すように、ナノポーラスＳｉＯ₂層の表面上に所望パターンのレジスト層を形成してエッチング処理が実施される。

【0098】

すなわち、第２のプロセスフローは、先に説明した第１のプロセスフローからシリコン基板のパターニング処理（図２４の（ｃ２）欄）を省略したものである。当該プロセスで作成されたナノポーラスＳｉＯ₂エレクトレットでも、ナノポーラスＳｉＯ₂層の有無によって保持電荷の分布にコントラストを付けることが可能である。

【0099】

＜アプリケーション＞
各種センサや無線機器（例えば、ＺｉｇＢｅｅ［登録商標］・３００ＭＨｚ帯特定小電力無線機器）用の電源として、上記の発電装置を適用することにより、無線センサや無線センサネットワークによるユビキタス環境を構築することができる。すなわち、各種のセンサや無線装置の電源配線が不要となるので、各々の機器を分散配置して、ネットワーク内での情報連携を実現することが可能となる。

【0100】

なお、一部で実用化されているタイヤ空気圧モニタリングシステム（ＴＰＭＳ［tire pressure monitoring system］）への応用のほか、上記の発電装置を用いたユビキタス環境の使用シーンとしては、例えば、医療・健康分野（健康管理や安否確認）、構造物監視（ワイヤ断線やボルト緩みの監視）、プラント監視（設備異常の監視）、並びに、物流管理（流通状態や品質の監視）などを挙げることができる。また、モータ等の電動機は電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で振動するので、発電装置に組み込まれたばね系の共振条件を上記の電源周波数に合わせれば、さらに大きな発電量が期待されることから、この発電電力をデータ処理装置等の電源として使用することが考えられる。さらに、上記の発電装置を人体に取り付けて発電するアプリケーションや、上記の発電装置を携帯電話等のモバイル機器に搭載して発電するアプリケーションなども想定される。

【0101】

＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0102】

本発明に係るエレクトレットを用いた発電装置は、例えば、各種センサや無線機器（無線センサネットワークやヘルスモニタリングなど）に用いられる電源として、好適に利用可能な技術である。

【符号の説明】

【0103】

１０ 発電装置
１１ 誘電体
１２ エレクトレット
１３ 下部電極
１４ 抵抗
１５ 上部電極
１６ 基板
１７ 空隙層
２０ 発電装置
２１ 上部基板
２２ 下部基板
２３ エレクトレット
２４ 対向電極
２５ ベース電極
２６ バネ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】