JPH1118445A - Piezoelectric type generator and manufacture thereof - Google Patents

Piezoelectric type generator and manufacture thereof

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JPH1118445A
JPH1118445A JP9162843A JP16284397A JPH1118445A JP H1118445 A JPH1118445 A JP H1118445A JP 9162843 A JP9162843 A JP 9162843A JP 16284397 A JP16284397 A JP 16284397A JP H1118445 A JPH1118445 A JP H1118445A
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JP
Japan
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piezoelectric
thin film
piezoelectric thin
forming
electrode
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Application number
JP9162843A
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Japanese (ja)
Inventor
Dong-Kuk Kim
東 局 金
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WiniaDaewoo Co Ltd
Original Assignee
Daewoo Electronics Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric type generator and a manufacturing method thereof, which generates electricity by utilizing the mechanical vibratory energy of an engine used in an automobile or the like. SOLUTION: This piezoelectric type generator 200 is provided with an electric circuit 105 for charging electricity generated from a plurality of piezoelectric elements 205 in a storage battery 150. The respective piezoelectric elements involves a piezoelectric membrane, a supporting member for supporting the piezoelectric membrane, and a cantilever shape whose remaining capacity is preformed so as to be warped upwards, in order to prevent collision with a substrate. The piezoelectric membrane is constituted of a PZT, and the supporting member is formed out of nitride. An electric circuit 105 is provided with a DC/AC converter 130, which converts the direct current generated from the piezoelectric elements into an alternating current, a potential transformer 140, and a diode 160 which prevents current from being discharged from the storage battery 150. When an engine vibrates, a current is generated by stresses generated at the piezoelectric membrane and is charged in the storage battery 150 through the electric circuit 105.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は圧電型発電機及びそ
の製造方法に関するものであり、より詳細には機械的振
動源の振動エネルギーを利用して電気を発生させる圧電
型発電機及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric generator and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a piezoelectric generator that generates electricity by using vibration energy of a mechanical vibration source and a method of manufacturing the same. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】所定の特定の結晶群では圧電現象が存在
する。一般に、圧電現象は正圧電効果及び逆圧電効果を
伴う。正圧電効果は圧電材料に力または応力を加える時
に電荷が発生することを称し、逆圧電効果はこれとは反
対に圧電材料に電流が流れる時に応力が発生して変位を
起こす効果を称する。従って、圧電現象により電気的エ
ネルギーと機械的エネルギーの相互変換が可能である。
前述した圧電現象のうちで正圧電効果は機械的な変化を
電流の形態として検出するセンサ分野で広く利用され、
逆圧電効果は主にアクチュエータの原理として利用され
る。
2. Description of the Related Art Piezoelectric phenomena exist in a certain specific crystal group. Generally, the piezoelectric phenomenon involves a positive piezoelectric effect and a reverse piezoelectric effect. The positive piezoelectric effect refers to the generation of an electric charge when a force or stress is applied to the piezoelectric material, and the reverse piezoelectric effect refers to the effect of generating a stress and causing a displacement when a current flows through the piezoelectric material. Therefore, mutual conversion between electrical energy and mechanical energy is possible by the piezoelectric phenomenon.
Among the above-mentioned piezoelectric phenomena, the positive piezoelectric effect is widely used in the field of sensors for detecting mechanical changes as a form of electric current,
The inverse piezoelectric effect is mainly used as an actuator principle.

【0003】圧電物質の圧電性が発見されて以来、前記
正電圧効果を利用して機械的な変化を感知するセンサが
開発されてきた。その一例が“圧電型加速センサ”とい
う名称でNakayama Shiroなどによる米国特許第4,92
4,131号に開示されている。前記Nakayama Shiroの
センサは圧電ポリマメンブレン要素と膜壁を備えて、前
記圧電要素の変形により発生する電流を利用して前記膜
壁に加えられる加速を測定する。また、圧電性を利用す
るセンサの他の例が“液体の粘性及び比重測定装置”と
いう名称としてMiura Shinsukeなどによる米国特許第
4,904,499号、“多次元力センサ”という名称
としてHolm-Kennedy,James W.などによる米国特許第
5,083,466号などに多数開示されている。
Since the discovery of the piezoelectricity of piezoelectric materials, sensors have been developed that use the positive voltage effect to sense mechanical changes. An example is the "piezoelectric acceleration sensor" entitled U.S. Pat.
No. 4,131. The Nakayama Shiro sensor includes a piezoelectric polymer membrane element and a membrane wall, and measures acceleration applied to the membrane wall using current generated by deformation of the piezoelectric element. Another example of a sensor utilizing piezoelectricity is U.S. Pat. No. 4,904,499 issued by Miura Shinsuke et al. As "Measuring device for viscosity and specific gravity of liquid", and Holm-named as "multidimensional force sensor". Many are disclosed in U.S. Pat. No. 5,083,466 to Kennedy, James W. and others.

【0004】また、圧電要素を自動車のエンジンに取り
付けてエンジンのノッキングや振動を測定するセンサの
例が“振動センサ”という名称でTakeuchi Tadashiな
どによる米国特許第4,672,839号、また“ノッ
キングセンサ”という名称でEntenmann Robertなどに許
されRobert Bosch Gmbhに譲渡された米国特許第4,6
60,410号などに開示されている。
An example of a sensor for measuring knocking and vibration of an engine by attaching a piezoelectric element to an automobile engine is called "vibration sensor" in US Pat. No. 4,672,839 by Takeuchi Tadashi et al. U.S. Pat. No. 4,6 granted to Entenmann Robert et al. And assigned to Robert Bosch Gmbh under the name "sensor"
No. 60,410 and the like.

【0005】近来には正圧電効果をより積極的に利用し
て圧電要素に加えられる応力から有用な電気エネルギー
を発生させる圧電型発電機に関する種々の研究がなされ
てきた。このような圧電型発電機の一例は“圧電型発電
機”という名称でCero, Jr.,Joseph T.などによる米国
特許第5,341,062号に開示されている。“自動
車装着圧電型発電機”という名称でCharles G. Triplet
tによる米国特許第4,504,761号は自動車のタ
イヤに装着されて自動車の輪の回転時にタイヤに加えら
れる応力を利用して電気を発生させる圧電型発電機を開
示する。また、“風力発電機及び速度計”という名称で
David B. Changによる米国特許第5,223,763号
は渦流により圧電要素から電気を発生させる圧電型発電
機を開示する。
In recent years, various studies have been made on piezoelectric generators that generate useful electric energy from stress applied to piezoelectric elements by more positively utilizing the positive piezoelectric effect. One example of such a piezoelectric generator is disclosed in U.S. Pat. No. 5,341,062 by Cero, Jr., Joseph T., et al., Entitled "Piezoelectric Generator". Charles G. Triplet, entitled "Car-mounted Piezoelectric Generator"
U.S. Pat. No. 4,504,761 to T. discloses a piezoelectric generator mounted on a vehicle tire that generates electricity using the stress applied to the tire as the vehicle wheels rotate. Also, under the name of “wind generator and speedometer”
U.S. Pat. No. 5,223,763 to David B. Chang discloses a piezoelectric generator that generates electricity from piezoelectric elements by eddy currents.

【0006】図1は前記triplettの圧電型発電機が装着
されたタイヤを概略的に示す。図1を参照して前記trip
lettの圧電型発電機は自動車のタイヤ20の内壁22の
上部に取り付けられる多数の圧電要素12を有する圧電
アレー、及び前記圧電要素12に応力を加えるための部
材14を備える。自動車の走行時にタイヤ20の回転毎
に前記それぞれの応力部材14がそれに対応する圧電要
素12と接触して応力を加え、これにより前記圧電要素
12には電気が発生する。前記圧電要素12から発生す
る電流は自動車の蓄電池または電気システムに電気的に
接続される。
FIG. 1 schematically shows a tire on which the piezoelectric generator of the triplet is mounted. Referring to FIG.
Lett's piezoelectric generator includes a piezoelectric array having a number of piezoelectric elements 12 mounted on top of an inner wall 22 of an automobile tire 20, and a member 14 for applying a stress to the piezoelectric elements 12. Each time the tire 20 rotates, each of the stress members 14 comes into contact with the corresponding piezoelectric element 12 to apply a stress during the running of the automobile, and thereby the piezoelectric element 12 generates electricity. The current generated from the piezoelectric element 12 is electrically connected to a battery or an electric system of the vehicle.

【0007】図2は風を利用して電気を発生させる前記
窓の圧電型発電機を示す。図2を参照して前記窓の発電
機は風を案内するコンジット30、及び渦流42A〜4
2Dを形成させる隔壁40を備える。風が案内される経
路上には多数の圧電要素50A〜50Fが所定の距離だ
け離隔されて配置され、前記圧電要素50A〜50Fに
は渦流42A〜42Fにより応力が加えられる。従っ
て、前記渦流42A〜42Fにより応力を受ける圧電要
素50A〜50Fには電気が発生する。
FIG. 2 shows a piezoelectric generator in the window that generates electricity using wind. Referring to FIG. 2, the window generator includes a conduit 30 for guiding the wind, and vortices 42A-4.
A partition 40 for forming 2D is provided. A large number of piezoelectric elements 50A to 50F are arranged at a predetermined distance apart from each other on the path where the wind is guided, and the piezoelectric elements 50A to 50F are stressed by eddies 42A to 42F. Therefore, electricity is generated in the piezoelectric elements 50A to 50F that are stressed by the eddies 42A to 42F.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電現
象を利用して積極的に機械的エネルギーから有用な電気
的エネルギーを発生させて使用する圧電型発電機に対し
てその有用性にもかかわらず現在まで多くの研究がなさ
れていない。また、圧電要素の加工が難しく効率がそれ
ほど高くないために、その実用化には解決すべき多くの
課題が存する。
However, in spite of its usefulness, a piezoelectric generator which actively generates useful electric energy from mechanical energy by utilizing the piezoelectric phenomenon and uses it is presently available. Not much research has been done. Further, since the processing of the piezoelectric element is difficult and the efficiency is not so high, there are many problems to be solved for practical use.

【0009】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解決するためのものであり、本発明の目的は、機械的振
動源の振動エネルギーを利用して電気を発生させる圧電
型発電機を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric generator that generates electricity by using vibration energy of a mechanical vibration source. To provide.

【0010】本発明の他の目的は効果的に電気を発生さ
せる構造を有する圧電要素と電気回路を備える圧電型発
電機を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a piezoelectric generator having a piezoelectric element having a structure for effectively generating electricity and an electric circuit.

【0011】本発明のさらに他の目的は前記圧電型発電
機の製造方法を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the piezoelectric generator.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明による圧電型発電機は、圧電薄膜、及び前記
圧電薄膜に取り付けられ、前記圧電薄膜と共に機械的振
動源の振動により変形を起こす変形部及び前記変形部の
一側に一体に形成され前記圧電薄膜と前記変形部を支持
する支持部を有する圧電薄膜支持部材をそれぞれ有し、
機械的な振動源に取り付けられるウェーハ上に提供され
て前記機械的な振動源の機械的なエネルギーから電気を
発生させる多数の圧電要素と、前記圧電要素から発生す
る電気を蓄電池に充電させるための電気回路とを有す
る。
In order to achieve the above object, a piezoelectric generator according to the present invention is provided with a piezoelectric thin film, and attached to the piezoelectric thin film, and deformed by vibration of a mechanical vibration source together with the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film support member having a supporting portion that is integrally formed on one side of the deformed portion to be raised and the deformed portion and supports the piezoelectric thin film and the deformed portion,
A plurality of piezoelectric elements provided on a wafer attached to a mechanical vibration source to generate electricity from the mechanical energy of the mechanical vibration source; and for charging a storage battery with the electricity generated from the piezoelectric element. And an electric circuit.

【0013】本発明の他の特徴によると、前記圧電薄
膜、及び前記圧電薄膜支持部材の変形部及び支持部はそ
れぞれほぼ直六面体の形状を有し、前記圧電要素の一部
がカンチレバーとして作用するように、前記圧電薄膜の
長さと前記変形部の長さは前記支持部の長さに比べて十
分に長く形成される。前記圧電要素のカンチレバー部分
には上向きに反るように残有応力が形成される。前記圧
電要素のサイズは1つの圧電要素から発生する電荷量と
ウェーハに加工される圧電要素の個数の積が最大となる
ように定められる。また、前記圧電薄膜は望ましくはZ
nO、PZT、またはPLZTからなるグループのうち
から選択されたいずれか1つで構成され、前記圧電薄膜
支持部材は窒化物からなる。前記圧電薄膜から発生する
電荷を前記蓄電池に伝達するために、前記圧電薄膜の下
部には第1電極が形成され、前記圧電薄膜の上部には第
2電極が形成される。前記第1及びは白金、タンタル、
または白金ータンタルからなるグループのうちから選択
されたいずれか1つでそれぞれ構成される。
According to another feature of the present invention, the piezoelectric thin film and the deformed portion and the support portion of the piezoelectric thin film support member each have a substantially hexahedral shape, and a part of the piezoelectric element acts as a cantilever. As described above, the length of the piezoelectric thin film and the length of the deformed portion are formed sufficiently longer than the length of the support portion. Residual stress is formed in the cantilever portion of the piezoelectric element so as to warp upward. The size of the piezoelectric element is determined so that the product of the amount of charge generated from one piezoelectric element and the number of piezoelectric elements processed on the wafer is maximized. The piezoelectric thin film is preferably Z
The piezoelectric thin film support member is made of one selected from the group consisting of nO, PZT, and PLZT, and the piezoelectric thin film support member is made of nitride. A first electrode is formed below the piezoelectric thin film and a second electrode is formed above the piezoelectric thin film in order to transfer electric charges generated from the piezoelectric thin film to the storage battery. Said first and said platinum, tantalum,
Alternatively, it is constituted by any one selected from the group consisting of platinum and tantalum.

【0014】さらに、本発明の他の特徴によると、前記
電気回路は一側が前記圧電要素に電気的に接続され、他
側が接地される高電圧コイル及び両側が前記蓄電池の陽
極及び陰極にそれぞれ電気的に接続される低電圧コイル
を備える変圧器を有する。前記電気回路には前記圧電要
素から発生した直流を交流に変換させるDC/AC変換
器、前記蓄電池から前記変圧器を通して電流が放電する
ことを防止するダイオードが提供される。
According to still another feature of the present invention, the electric circuit includes a high voltage coil having one side electrically connected to the piezoelectric element and the other side grounded, and both sides electrically connected to an anode and a cathode of the storage battery, respectively. A transformer with a low voltage coil connected to the power supply. The electric circuit is provided with a DC / AC converter for converting DC generated from the piezoelectric element into AC, and a diode for preventing current from being discharged from the storage battery through the transformer.

【0015】本発明による製造方法は、i)第1電極及び
第2電極を形成する段階を有する圧電薄膜を形成する段
階、及びii)前記第1電極及び前記第2電極が形成され
た前記圧電薄膜に取り付けられ前記圧電薄膜と共に機械
的振動源の振動により変形を起こす変形部及び前記変形
部の一側に一体に形成されて前記圧電薄膜と前記変形部
を支持する支持部を有する圧電薄膜支持部材を形成する
段階をそれぞれ有し、機械的振動源に取り付けられるウ
ェーハ上に提供されて前記機械的振動源の機械的振動エ
ネルギーから電気を発生させる多数の圧電要素を形成す
る段階と、前記圧電要素から発生する電気を蓄電池に充
電させるための電気回路を形成する段階とを有する。
The manufacturing method according to the present invention comprises the steps of: i) forming a piezoelectric thin film having a step of forming a first electrode and a second electrode; and ii) forming the piezoelectric thin film on which the first electrode and the second electrode are formed. A piezoelectric thin-film support, comprising: a deformable portion attached to a thin film and deformed by the vibration of a mechanical vibration source together with the piezoelectric thin film; and a supporting portion integrally formed on one side of the deformable portion to support the piezoelectric thin film and the deformable portion. Forming a plurality of piezoelectric elements provided on a wafer mounted on a mechanical vibration source to generate electricity from mechanical vibration energy of the mechanical vibration source, the method comprising: Forming an electrical circuit for charging the storage battery with electricity generated from the elements.

【0016】[0016]

【作用】機械的振動源が振動すると、前記圧電薄膜に生
成する応力により電流が発生し、前記電流は前記電気回
路を通して蓄電池に充電される。本圧電型発電機による
と、浪費される機械的振動エネルギーから有用な電気エ
ネルギーを効果的に発生させて電気システムなどに利用
できる。
When the mechanical vibration source vibrates, a current is generated by the stress generated in the piezoelectric thin film, and the current is charged in the storage battery through the electric circuit. According to the present piezoelectric generator, useful electric energy can be effectively generated from wasted mechanical vibration energy and used for an electric system or the like.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の好適実施例をより詳細に説明する。図3は本発明によ
る圧電型発電機の基本概念を説明するための概略図であ
る。前記圧電型発電機200は自動車のエンジンなどの
機械的振動源100に取り付けられる。前記機械的振動
源100が振動すると、前記圧電型発電機200の圧電
要素205に変位が加えられて電流が発生する。前記圧
電型発電機200は蓄電池150に電気的に接続され
て、前記圧電型発電機200から発生される電流は前記
蓄電池150に充電される。
Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the basic concept of the piezoelectric generator according to the present invention. The piezoelectric generator 200 is attached to a mechanical vibration source 100 such as an automobile engine. When the mechanical vibration source 100 vibrates, a displacement is applied to the piezoelectric element 205 of the piezoelectric generator 200 to generate a current. The piezoelectric generator 200 is electrically connected to a storage battery 150, and a current generated from the piezoelectric generator 200 charges the storage battery 150.

【0018】図4は本発明による圧電型発電機がエンジ
ンに適用された一例を示す概略図である。図4を参照し
て本発明の圧電型発電機200は多数の圧電要素20
5、及び前記圧電要素205から発生する電気を蓄電池
150に充電させるための電気回路105を有する。前
記多数の圧電要素205は自動車のエンジン100の上
部に取り付けられるウェーハ上に提供される。前記エン
ジン100にはベルトなどにより通常の交流発電機11
0が連結される。前記交流発電機110は駆動時に自動
車の走行出力を減少させるために、自動車の電気システ
ム120で電気を必要としないか、あるいは蓄電池が完
全に充電された状態では駆動されることなく空回転でき
るようになっている。本発明の圧電型発電機200はエ
ンジン100の振動により浪費される機械的エネルギー
を利用することにより、前記交流発電機110とは異な
り発電中に自動車の出力を減少させないために、本発明
の圧電型発電機200は前記交流発電機110に先立っ
て、または前記交流発電機110と共に作動する。
FIG. 4 is a schematic view showing an example in which the piezoelectric generator according to the present invention is applied to an engine. Referring to FIG. 4, a piezoelectric generator 200 of the present invention includes a plurality of piezoelectric elements 20.
5 and an electric circuit 105 for charging the storage battery 150 with electricity generated from the piezoelectric element 205. The plurality of piezoelectric elements 205 are provided on a wafer mounted on top of the engine 100 of the automobile. The engine 100 is provided with a normal AC generator 11 by a belt or the like.
0 is concatenated. The alternator 110 does not require electricity in the vehicle's electrical system 120 to reduce the running output of the vehicle when driven, or can run idle without being driven when the storage battery is fully charged. It has become. Unlike the alternator 110, the piezoelectric generator 200 of the present invention uses mechanical energy wasted by the vibration of the engine 100, so that the output of the vehicle is not reduced during power generation. The generator 200 operates prior to or with the alternator 110.

【0019】図4に示すように、前記電気回路105は
DC/AC変換器130、変圧器140、及びダイオー
ド160を備える。前記圧電要素205には第1及び第
2端子148,156が電気的に接続される。第1及び
第2端子148,156はさらに接地と前記DC/AC
変換器130にそれぞれ電気的に接続され、前記圧電型
発電機200により発生した直流はDC/AC変換器1
30に印加されて交流に変換される。また、前記DC/
AC変換器130は第3端子132を通して前記変圧器
140の高電圧コイル142に電気的に接続され、前記
高電圧コイル142は第4端子146を通して接地さ
れ、前記圧電型発電機200から発生されて前記DC/
AC変換器130で変換された交流は前記高電圧コイル
142を通して流れる。一方、前記変圧器140の低電
圧コイル144は第5及び第6端子152,154を通
して蓄電池150の陽極及び陰極にそれぞれ連結され
る。
As shown in FIG. 4, the electric circuit 105 includes a DC / AC converter 130, a transformer 140, and a diode 160. First and second terminals 148 and 156 are electrically connected to the piezoelectric element 205. The first and second terminals 148 and 156 are further connected to ground and the DC / AC
The DC generated by the piezoelectric generator 200 is electrically connected to the DC / AC converter 1.
30 and is converted to an alternating current. In addition, the DC /
The AC converter 130 is electrically connected to a high voltage coil 142 of the transformer 140 through a third terminal 132, and the high voltage coil 142 is grounded through a fourth terminal 146, and is generated from the piezoelectric generator 200. DC /
The AC converted by the AC converter 130 flows through the high voltage coil 142. Meanwhile, the low voltage coil 144 of the transformer 140 is connected to the anode and the cathode of the storage battery 150 through fifth and sixth terminals 152 and 154, respectively.

【0020】前記ダイオード160は前記第6端子15
4に提供され、前記ダイオード160の陽極は蓄電池1
50の陰極に連結され、前記ダイオード160の陰極は
前記低電圧コイル144に連結される。前記ダイオード
160は蓄電池150から前記変圧器140を通して電
流が放電することを防止する。
The diode 160 is connected to the sixth terminal 15.
4 and the anode of the diode 160 is
The cathode of the diode 160 is connected to the low voltage coil 144. The diode 160 prevents current from being discharged from the storage battery 150 through the transformer 140.

【0021】前記低電圧コイル144の第6端子154
と蓄電池150の陰極は第1連結点CN1を形成し、前
記ダイオード160の陰極と蓄電池150の陽極は第2
連結点CN2を形成する。前記第1及び第2連結点CN
1,CN2には交流発電機110の第1及び第2出力端
子112,114がそれぞれ連結される。自動車の電装
部品で構成される電気システム120の陽極及び陰極電
源供給端子は前記第1及び第2連結点CN1,CN2と
連結されて電流を供給される。
The sixth terminal 154 of the low voltage coil 144
And the cathode of the storage battery 150 forms a first connection point CN1, and the cathode of the diode 160 and the anode of the storage battery 150
A connection point CN2 is formed. The first and second connection points CN
The first and second output terminals 112 and 114 of the AC generator 110 are connected to 1 and CN2, respectively. An anode and a cathode power supply terminal of an electric system 120 including electric components of a vehicle are connected to the first and second connection points CN1 and CN2 to supply current.

【0022】図5は本発明による圧電型発電機に用いら
れる圧電要素を概略的に示す。図5に示すように、本発
明の圧電型発電機200の圧電要素205は圧電薄膜2
10、該圧電薄膜210の下部に形成された第1電極2
13、該第1電極213に対応して圧電薄膜210の上
部に形成された第2電極215、及び前記第1電極21
3の下部に形成されて前記圧電薄膜210を支持する圧
電薄膜支持部材220(以下、支持部材ともいう)を有
する。前記圧電薄膜210はほぼ長さL、厚さT1、及
び幅Bの直六面体の形状を有する。前記圧電薄膜210
の構成物質としてはZnO、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)、またはPLZ
T(Pb,La)(Zr,Ti)O3)などが用いられる。望ましくはPZ
Tを使用して前記圧電薄膜210を形成する。PZTは
PbZrO3とPbTiO3の完全固溶体であって高温では結晶構造
が立方晶の常誘電相に存在し、常温ではZrとTiの組
成比に応じて結晶構造が斜方晶の反強誘電相、菱面体晶
の強誘電相、及び正方晶の強誘電相に存在する。
FIG. 5 schematically shows a piezoelectric element used in a piezoelectric generator according to the present invention. As shown in FIG. 5, the piezoelectric element 205 of the piezoelectric generator 200 of the present invention is
10, a first electrode 2 formed below the piezoelectric thin film 210
13, a second electrode 215 formed on the piezoelectric thin film 210 corresponding to the first electrode 213, and the first electrode 21
3, a piezoelectric thin film support member 220 (hereinafter, also referred to as a support member) that supports the piezoelectric thin film 210. The piezoelectric thin film 210 has a substantially hexahedral shape having a length L, a thickness T1, and a width B. The piezoelectric thin film 210
The constituents of ZnO, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), or PLZ
T (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) or the like is used. Desirably PZ
The piezoelectric thin film 210 is formed using T. PZT is
It is a complete solid solution of PbZrO 3 and PbTiO 3 , and its crystal structure exists in a cubic paraelectric phase at high temperature, and at normal temperature, the crystal structure is orthorhombic antiferroelectric phase and rhombohedral according to the composition ratio of Zr and Ti. It is present in a tetrahedral ferroelectric phase and a tetragonal ferroelectric phase.

【0023】前記第1電極213及び第2電極215は
電気伝導性に優れた白金Pt、タンタルTa、または白
金ータンタルPt−Taなどを使用して形成される。第
1電極213及び第2電極215は前記圧電薄膜210
から発生する電荷を伝達する。
The first electrode 213 and the second electrode 215 are formed using platinum Pt, tantalum Ta, or platinum-tantalum Pt-Ta having excellent electrical conductivity. The first electrode 213 and the second electrode 215 are connected to the piezoelectric thin film 210.
To transfer the charge generated from

【0024】第1電極213及び第2電極215が形成
された前記圧電薄膜210は圧電薄膜支持部材220に
より支持される。前記支持部材220は窒化物SiNx
を使用して形成される。前記圧電薄膜支持部材220は
ほぼL字形状の断面を有し、前記圧電薄膜210に取り
付けられ自動車のエンジン100の振動により前記圧電
薄膜210と共に変形を起こす変形部220A、及び該
変形部220Aの一側に一体に形成されて前記第1及び
第2電極213,215が形成された圧電薄膜210及
び該圧電薄膜210に取り付けられた変形部220Aを
支持する支持部220Bを備える。前記変形部220A
はほぼ長さL1、厚さT2、及び幅Bの直六面体の形状
であり、前記支持部220Bはほぼ長さL2、厚さTS
及び幅Bの直六面体の形状を有する。図5に示すよう
に、前記変形部220Aの長さL1は支持部220Bの
長さL2に比べて充分に長く形成され、前記圧電要素2
05は長さL1、厚さTC、及び幅Bの圧電カンチレバ
ーとして作用する。
The piezoelectric thin film 210 on which the first electrode 213 and the second electrode 215 are formed is supported by a piezoelectric thin film supporting member 220. The support member 220 is made of nitride SiNx.
Formed using The piezoelectric thin film support member 220 has a substantially L-shaped cross section, and is attached to the piezoelectric thin film 210 and is deformed together with the piezoelectric thin film 210 by the vibration of the engine 100 of the vehicle. The piezoelectric thin film 210 includes the first and second electrodes 213 and 215 integrally formed on the side of the piezoelectric thin film 210, and a supporting portion 220B that supports a deformable portion 220A attached to the piezoelectric thin film 210. The deformation part 220A
Has a substantially hexahedral shape having a length L1, a thickness T2, and a width B. The support portion 220B has a length L2, a thickness TS2.
And a hexahedral shape having a width B. As shown in FIG. 5, the length L1 of the deformed portion 220A is formed sufficiently longer than the length L2 of the support portion 220B.
05 acts as a piezoelectric cantilever of length L1, thickness TC, and width B.

【0025】最近、日本のオムロン(OMRON)社の
M.Sakataなどは図5のような形状を有する圧電要素20
5の圧電常数を測定するために次のような式を提案し
た。
Recently, OMRON of Japan
M. Sakata etc. has a piezoelectric element 20 having a shape as shown in FIG.
The following equation was proposed to measure the piezoelectric constant of 5:

【数1】 ここで、 d31:圧電常数 L1:圧電カンチレバーの長さ Q:電荷量 B:圧電カンチレバーの幅 TC:圧電カンチレバーの厚さ E:支持部材のヤング係数 δ:圧電薄膜の変位量 L:圧電要素の全長 前記電荷量Qは圧電常数の測定時に電荷増幅器から検出
される電荷量を、そして変位量δはカンチレバー形状の
圧電薄膜210の変位量を意味する。
(Equation 1) Here, d 31 : piezoelectric constant L1: length of piezoelectric cantilever Q: electric charge B: width of piezoelectric cantilever TC: thickness of piezoelectric cantilever E: Young's modulus of support member δ: displacement of piezoelectric thin film L: piezoelectric element The charge amount Q is the charge amount detected from the charge amplifier when measuring the piezoelectric constant, and the displacement amount δ is the displacement amount of the cantilever-shaped piezoelectric thin film 210.

【0026】式1を検出電荷量Qに対して整理すると次
の通りである。
Equation 1 is summarized below with respect to the detected charge amount Q.

【数2】 式2から分かるように、電荷量Qは圧電常数d31と正比
例するために、電荷量Qを増加させるためには圧電常数
31が大きい圧電材料を用いることが望ましい。本発明
では80pC/Nないし220pC/Nの範囲の比較的
に大きい圧電常数d31を有する材料を圧電薄膜210と
して使用する。
(Equation 2) As can be seen from Equation 2, the charge amount Q in order to directly proportional to the piezoelectric constant d 31, in order to increase the charge amount Q, it is desirable to use a piezoelectric material the piezoelectric constant d 31 is large. In the present invention, a material having a relatively large piezoelectric constant d 31 in the range of 80 pC / N to 220 pC / N is used as the piezoelectric thin film 210.

【0027】前記支持部材220の支持部220Bの長
さL2が前記圧電要素205の全長Lに比べて充分に小
さく形成される。従って、解釈の単純化のためにL1の
値はLと同様であると仮定できる。また、計算の便宜の
ために、前記圧電常数d31は100pC/Nと仮定す
る。
The length L2 of the support portion 220B of the support member 220 is formed sufficiently smaller than the total length L of the piezoelectric element 205. Therefore, it can be assumed that the value of L1 is similar to L for simplicity of interpretation. For convenience of calculation, it is assumed that the piezoelectric constant d 31 is 100 pC / N.

【0028】式1では圧電薄膜210の厚さT1が支持
部材の厚さT2に比べて充分に小さいものと仮定して前
記圧電薄膜210のヤング係数を無視した。しかしなが
ら、本発明の圧電要素205の振動解釈において、前記
圧電薄膜210の下部及び上部に形成される前記第1及
び第2電極213,215の厚さは無視するが、前記圧
電薄膜210の厚さT1を無視せず二重層での有効ヤン
グ係数を利用する。圧電薄膜のヤング係数をE1とし、
支持部材のヤング係数をE2とするとき、二重層での有
効ヤング係数Eeqは式3のようである。
In Equation (1), the Young's modulus of the piezoelectric thin film 210 is ignored, assuming that the thickness T1 of the piezoelectric thin film 210 is sufficiently smaller than the thickness T2 of the support member. However, in interpreting the vibration of the piezoelectric element 205 of the present invention, the thickness of the first and second electrodes 213 and 215 formed on the lower and upper portions of the piezoelectric thin film 210 is ignored, but the thickness of the piezoelectric thin film 210 is ignored. The effective Young's modulus in the double layer is used without ignoring T1. Let the Young's modulus of the piezoelectric thin film be E1,
Assuming that the Young's modulus of the support member is E2, the effective Young's modulus E eq in the double layer is as shown in Equation 3.

【数3】 (Equation 3)

【0029】一方、図6は本発明に用いられる圧電要素
の振動特性を解釈するための簡単な機械的なモデルを示
す。図6を参照して、カンチレバー形状の圧電要素20
5の機械的モデルは質量mを有する質量体、スプリング
常数kを有するスプリング、及び減衰係数cのダンパを
備える。前記スプリングと前記ダンパは前記質量体に並
列に連結される。質量体の変位をxとするとき、前記機
械的モデルに振動源による外力F=Asin(ωt)(ここ
で、Aは振動源の振幅で、ωは振動源の振動数であり、
tは時間である)が作用するときの前記質量体の運動方
程式は次の式4のようである。
FIG. 6 shows a simple mechanical model for interpreting the vibration characteristics of the piezoelectric element used in the present invention. Referring to FIG. 6, cantilever-shaped piezoelectric element 20
The mechanical model of 5 comprises a mass having a mass m, a spring having a spring constant k, and a damper having a damping coefficient c. The spring and the damper are connected to the mass body in parallel. Assuming that the displacement of the mass body is x, an external force F = Asin (ωt) (where A is the amplitude of the vibration source, ω is the frequency of the vibration source,
The equation of motion of the mass body when (t is time) acts is as follows:

【数4】 (Equation 4)

【0030】前記微分方程式の式4の解は式5のようで
ある。
The solution of the above-mentioned differential equation in equation (4) is as shown in equation (5).

【数5】 ここで、δは圧電要素205の相対変位、Aは振動源の
振幅、ζは減衰比、そしてγは振動源の振動数ωと前記
機械的モデルの固有振動数ωnとの比、すなわち振動数
比ω/ωnを示す。
(Equation 5) Here, δ is the relative displacement of the piezoelectric element 205, A is the amplitude of the vibration source, ζ is the damping ratio, and γ is the ratio between the frequency ω of the vibration source and the natural frequency ω n of the mechanical model, that is, the vibration indicates the number ratio ω / ω n.

【0031】前記機械的モデルの固有振動数ωnは式6
のようである。
The natural frequency ω n of the mechanical model is given by
It is like.

【数6】 ここで、Keqは有効スプリング常数、そしてMeqは有効
質量を示す。
(Equation 6) Here, K eq indicates the effective spring constant, and M eq indicates the effective mass.

【0032】前記カンチレバーを構成するPZTと窒化
物のヤング係数及び密度などの物性値は既存の発表され
た材料を利用し、圧電薄膜210と変形部220Aの厚
さはそれぞれ1μmと設定した。計算に利用された材料
を整理すると表1のようである。
Physical properties such as Young's modulus and density of PZT and nitride constituting the cantilever are made of existing published materials, and the thickness of the piezoelectric thin film 210 and the deformed portion 220A are set to 1 μm. Table 1 summarizes the materials used for the calculations.

【表1】 [Table 1]

【0033】また、本発明を望ましく遂行するために採
択した変数の種類とその範囲を整理すると表2のようで
ある。
Table 2 shows the types and ranges of variables adopted to desirably implement the present invention.

【表2】 [Table 2]

【0034】表3は計算により得られたカンチレバー形
状の圧電要素205の固有振動数ωnを示し、図7はそ
の結果を図式的に示す。
Table 3 shows the natural frequency ω n of the cantilever-shaped piezoelectric element 205 obtained by calculation, and FIG. 7 schematically shows the result.

【表3】 表3から分かるように、圧電要素205の固有振動数ω
nはその幅Bとは関係なくその長さLの自乗に反比例す
る。
[Table 3] As can be seen from Table 3, the natural frequency ω of the piezoelectric element 205
n is inversely proportional to the square of its length L, independent of its width B.

【0035】本発明では最大の電荷量を発生させる圧電
要素205の大きさを決定するために式2を利用する。
式2を参照すると、一定の面積を有する円形のウェーハ
上に加工できる圧電要素205の個数とそれぞれの圧電
要素205から発生する電荷量の積が最大化するための
最も重要な変数は圧電要素205の長さLであることが
分かる。
In the present invention, Equation 2 is used to determine the size of the piezoelectric element 205 that generates the maximum charge.
Referring to Equation 2, the most important variable for maximizing the product of the number of piezoelectric elements 205 that can be processed on a circular wafer having a certain area and the amount of electric charge generated from each piezoelectric element 205 is piezoelectric element 205. It can be seen that the length is L.

【0036】図8は振動の振幅Aが0.5mmである時
に1つの圧電要素205から発生する電荷量Qを圧電要
素205の長さLと幅Bに対して示す。図8から分かる
ように、発生電荷量Qは圧電要素205の幅Bに線形的
に比例する。また、図5の点Pを参照して圧電要素20
5の幅Bが100μmであり、長さLが1000μmの
際に振動サイクル毎に約2nCの電荷量が発生すること
が分かる。
FIG. 8 shows the amount of electric charge Q generated from one piezoelectric element 205 when the amplitude A of the vibration is 0.5 mm with respect to the length L and the width B of the piezoelectric element 205. As can be seen from FIG. 8, the generated charge amount Q is linearly proportional to the width B of the piezoelectric element 205. Also, referring to the point P in FIG.
It can be seen that when the width B of Sample No. 5 is 100 μm and the length L is 1000 μm, a charge amount of about 2 nC is generated every oscillation cycle.

【0037】図9は8インチのSi−ウェーハ上の一定
の面積に加工可能な圧電要素205の個数Nを圧電要素
205の長さLと幅Bに対して示す。また、図10は1
つの圧電要素から発生する電荷量Q(図8参照)と8イ
ンチのSi−ウェーハ上に加工され得る圧電要素205
の個数N(図9参照)の積を図式的に示す。図10を参
照して8インチのSi−ウェーハの一枚にマイクロ加工
されるカンチレバー圧電要素205で構成される圧電ア
レーを1kHzと加振させる時に発生する電荷量は最大
秒当たり0.648Cであり、従って648mAの電流
が発生する。
FIG. 9 shows the number N of the piezoelectric elements 205 that can be processed to a fixed area on an 8-inch Si-wafer with respect to the length L and the width B of the piezoelectric elements 205. FIG.
The charge amount Q generated from the two piezoelectric elements (see FIG. 8) and the piezoelectric element 205 that can be processed on an 8-inch Si-wafer.
Schematically shows the product of the number N (see FIG. 9). Referring to FIG. 10, the amount of electric charge generated when a piezoelectric array composed of a cantilever piezoelectric element 205 micro-machined into one 8-inch Si-wafer at 1 kHz is 0.648C per second at the maximum. Therefore, a current of 648 mA is generated.

【0038】本発明による圧電型発電機200において
電荷発生量Qを増加させるのに重要な物性値は圧電薄膜
210の圧電常数d31と圧電薄膜支持部材220のヤン
グ係数E2である。式2から分かるように、発生電荷量
Qは圧電薄膜210の圧電常数d31と支持部材220の
ヤング係数E2に正比例して増加する。
In the piezoelectric generator 200 according to the present invention, the physical properties important for increasing the charge generation amount Q are the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric thin film 210 and the Young's modulus E 2 of the piezoelectric thin film supporting member 220. As can be seen from Equation 2, the generated charge amount Q increases in direct proportion to the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric thin film 210 and the Young's modulus E2 of the support member 220.

【0039】カンチレバー形状の圧電要素205の自重
による変形は計算により0.678μmで無視できる程
度である。一方、振動の振幅が0.5mmの時に圧電要
素205の変位量δは圧電要素205の長さLが100
0μmの時に最大37μm(=500μm×0.07
4)に達する。ところが、前記圧電要素205の変位量
δは運動空間となる犠牲層の厚さと比較する時に非常に
大きい値であり、作動中に基板との衝突により前記圧電
要素205は破損されるなどの望ましくない結果がもた
らされる。従って、前記支持部材220のヤング係数E
2を小さくすることにより、電荷発生量が増加するにも
かかわらずその値を小さくすることには限界がある。前
記の理由により本発明の支持部材220のヤング係数E
2は実際に200×109N/mないし400×109
/mの範囲に値を有するように定められる。
The deformation of the cantilever-shaped piezoelectric element 205 due to its own weight is 0.678 μm by calculation, which is negligible. On the other hand, when the amplitude of the vibration is 0.5 mm, the displacement amount δ of the piezoelectric
37 μm at the time of 0 μm (= 500 μm × 0.07
4) is reached. However, the displacement amount δ of the piezoelectric element 205 is a very large value when compared with the thickness of the sacrificial layer serving as a movement space, and the piezoelectric element 205 is undesirably damaged due to collision with a substrate during operation. The result comes. Therefore, the Young's modulus E of the support member 220 is
There is a limit to reducing the value by reducing the value of 2, even though the amount of charge generation increases. For the reasons described above, the Young's modulus E of the support member 220 of the present invention is
2 is actually 200 × 10 9 N / m to 400 × 10 9 N
/ M.

【0040】また、前記圧電要素205の厚さTCを薄
くして発生電荷量Qを増大させ得るにもかかわらず、前
記圧電要素205の厚さTCを減少させるにも限界があ
る。反面、PZT結晶化の過程中に発生する体積の収縮
により前記問題点がある程度解決され得ると期待され
る。本発明による圧電型発電機200では圧電要素20
5の厚さTCをなるべく薄くしながらも圧電要素205
の基板との衝突をより効果的に防止するために、事前に
圧電薄膜支持部材220に残有応力を生成させて犠牲層
の除去後に前記圧電要素205を上向きに反らせる。
Further, although the thickness TC of the piezoelectric element 205 can be reduced to increase the amount of generated electric charge Q, there is a limit in reducing the thickness TC of the piezoelectric element 205. On the other hand, it is expected that the above-mentioned problems can be solved to some extent by the shrinkage of the volume generated during the process of PZT crystallization. In the piezoelectric generator 200 according to the present invention, the piezoelectric element 20
The thickness TC of the piezoelectric element 205 is reduced as much as possible.
In order to more effectively prevent the collision with the substrate, a residual stress is generated in the piezoelectric thin film supporting member 220 in advance, and the piezoelectric element 205 is warped upward after the sacrificial layer is removed.

【0041】本発明による圧電要素からなる圧電アレー
はマイクロ加工により製造される。前記圧電アレーは圧
電薄膜をSi−ウェーハ上に直接製造するMEMS(Mic
roElectro Mechanical System)を利用して製造され、機
械的疲労寿命を延長させるために、前記圧電アレーはS
i−ウェーハ自体にクラックが発生しやすい容積マイク
ロ加工よりは表面マイクロ加工により製造される。
The piezoelectric array comprising the piezoelectric elements according to the invention is manufactured by micromachining. The piezoelectric array is a MEMS (Mic) for manufacturing a piezoelectric thin film directly on a Si-wafer.
The piezoelectric array is manufactured using a RoElectro Mechanical System, and in order to extend the mechanical fatigue life, the piezoelectric array is made of S
The i-wafer itself is manufactured by surface micromachining rather than volume micromachining where cracks are likely to occur.

【0042】以下、前述した圧電要素205の製造方法
を図面を参照して詳細に説明する。図11Aないし図1
1Dは図5に示す圧電要素205の製造工程図である。
図11Aないし図11Dにおいて、図5と同様の部材に
対しては同一の参照符号を付する。
Hereinafter, a method for manufacturing the above-described piezoelectric element 205 will be described in detail with reference to the drawings. 11A to 1
FIG. 1D is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element 205 shown in FIG. 5.
11A to 11D, the same members as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals.

【0043】図11Aを参照すると、まず軽質の基板3
00上に低圧化学気相蒸着方法(LPCVD)を利用し
て犠牲層305を形成する。犠牲層305はリンシリケ
ートガラス(PSG)を使用して1.0〜5.0μm程
度の厚さを有するようにする。次いで、前記支持部材2
20の支持部220Bが形成される位置を考慮して、前
記犠牲層305の一部を食刻して除去する。
Referring to FIG. 11A, first, the light substrate 3
A sacrificial layer 305 is formed on the lower layer 00 by using a low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD). The sacrificial layer 305 is made of phosphor silicate glass (PSG) and has a thickness of about 1.0 to 5.0 μm. Next, the support member 2
A portion of the sacrificial layer 305 is etched and removed in consideration of the position where the 20 support portions 220B are formed.

【0044】図11Bを参照すると、前記基板300の
上部及び前記犠牲層305の上部に低圧化学気相蒸着方
法を使用して支持層219を形成する。前記支持層21
9は窒化物を使用して0.5〜2.0μm、望ましくは
1.0μm程度の厚さを有するように形成する。前記支
持層219は後に支持部材220にパターニングされ
る。前記支持層219の上部には第1電極層212が形
成される。第1電極層212は電気伝導性に優れた白金
Pt、タンタルTa、または白金ータンタルPt−Ta
などの金属を、スパッタリング方法または化学気相蒸着
方法を使用して0.1〜1.0μm、望ましくは0.1
μm程度の厚さを有するように形成する。第1電極層2
12は後に第1電極213にパターニングされる。
Referring to FIG. 11B, a support layer 219 is formed on the substrate 300 and the sacrificial layer 305 by using a low pressure chemical vapor deposition method. The support layer 21
9 is formed using a nitride so as to have a thickness of 0.5 to 2.0 μm, preferably about 1.0 μm. The support layer 219 is patterned on the support member 220 later. A first electrode layer 212 is formed on the support layer 219. The first electrode layer 212 is made of platinum Pt, tantalum Ta, or platinum-tantalum Pt-Ta having excellent electric conductivity.
Metal such as 0.1 to 1.0 μm, preferably 0.1 to 1.0 μm using a sputtering method or a chemical vapor deposition method.
It is formed to have a thickness of about μm. First electrode layer 2
12 is patterned on the first electrode 213 later.

【0045】前記第1電極層212の上部にはゾル−ゲ
ル法、化学気相蒸着方法、またはスパッタリング方法を
使用して圧電層209が形成される。圧電層209はZ
nO、PZT、PLZTなどの圧電物質を使用して、
0.5〜2.0μm程度の厚さを有するように形成され
る。望ましくは、圧電層209はPZTをゾル−ゲル法
を利用して1.0μm程度の厚さを有するように形成す
る。次いで、圧電層209を急速熱処理(RTA)方法
を利用して熱処理した後、ポーリングさせる。圧電層2
09は後に圧電薄膜210にパターニングされる。
A piezoelectric layer 209 is formed on the first electrode layer 212 using a sol-gel method, a chemical vapor deposition method, or a sputtering method. The piezoelectric layer 209 is Z
Using piezoelectric materials such as nO, PZT and PLZT,
It is formed so as to have a thickness of about 0.5 to 2.0 μm. Preferably, the piezoelectric layer 209 is formed of PZT to have a thickness of about 1.0 μm using a sol-gel method. Next, the piezoelectric layer 209 is heat-treated using a rapid thermal processing (RTA) method, and is then polled. Piezoelectric layer 2
09 is patterned on the piezoelectric thin film 210 later.

【0046】前記圧電層209の上部には第2電極層2
14が形成される。第2電極層214は第1電極層21
2と同一の物質及び方法を使用して同様の厚さを有する
ように形成する。第2電極層214は後に第2電極21
5にパターニングされる。
The second electrode layer 2 is formed on the piezoelectric layer 209.
14 are formed. The second electrode layer 214 is the first electrode layer 21
2 is formed to have a similar thickness using the same material and method. The second electrode layer 214 will be
5 is patterned.

【0047】図11Cを参照すると、前記第2電極層2
14の上部に第1フォトレジスト(図示せず)を塗布し
た後、前記第1フォトレジストを食刻マスクとして使用
して前記第2電極層214、圧電層209、第1電極層
212、及び支持層219をパターニングしてそれぞれ
四角形の形状を有する第2電極215、圧電薄膜21
0、第1電極213及び支持部材220を形成する。次
いで、前記結果物の上部及び側部に第2フォトレジスト
をスピンコーティング方法を使用して1.5〜2.0μ
m程度の厚さを有する保護層310を形成する。前記保
護層310は後に犠牲層305を除去する間に第1電極
213及び第2電極215が形成された圧電薄膜210
を保護する機能を遂行する。
Referring to FIG. 11C, the second electrode layer 2
After applying a first photoresist (not shown) on the upper portion of the substrate 14, the second electrode layer 214, the piezoelectric layer 209, the first electrode layer 212, and the support are formed using the first photoresist as an etching mask. By patterning the layer 219, the second electrode 215 and the piezoelectric thin film 21 each having a square shape are formed.
0, the first electrode 213 and the support member 220 are formed. Next, a second photoresist is applied to the top and sides of the resultant by 1.5 to 2.0 μm using a spin coating method.
A protective layer 310 having a thickness of about m is formed. The protective layer 310 is formed on the piezoelectric thin film 210 on which the first electrode 213 and the second electrode 215 are formed while the sacrificial layer 305 is removed later.
Perform the function of protecting

【0048】図11Dを参照すると、前記犠牲層305
をフルオロ化水素(HF)蒸気または水酸化カリウム
(KOH)蒸気を使用して食刻して除去する。次いで、
前記保護層310を食刻して除去した後、前記基板30
0を分離して圧電要素205を完成する。
Referring to FIG. 11D, the sacrificial layer 305
Is etched away using hydrogen fluoride (HF) vapor or potassium hydroxide (KOH) vapor. Then
After the protective layer 310 is etched and removed, the substrate 30
0 is separated to complete the piezoelectric element 205.

【0049】以下、本発明による圧電型発電機の作用に
対して説明する。自動車のエンジン100の作動時にピ
ストンがシリンダ内を往復運動することにより、振動が
発生する。自動車エンジン100が振動すると、前記自
動車エンジン100の上部に取り付けられた前記圧電型
発電機200のカンチレバー形状の圧電要素205に周
期的な外力が加えられて、前記圧電要素205は変位を
起こす。前記圧電要素205に生成する変位により前記
圧電要素205にはその正圧電効果により電流が発生す
る。
Hereinafter, the operation of the piezoelectric generator according to the present invention will be described. When the engine 100 of the automobile operates, the piston reciprocates in the cylinder, thereby generating vibration. When the vehicle engine 100 vibrates, a periodic external force is applied to the cantilever-shaped piezoelectric element 205 of the piezoelectric generator 200 mounted on the upper part of the vehicle engine 100, and the piezoelectric element 205 is displaced. Due to the displacement generated in the piezoelectric element 205, a current is generated in the piezoelectric element 205 due to its positive piezoelectric effect.

【0050】本発明による圧電型発電機200では予め
圧電薄膜支持部材220に残有応力を生成させて犠牲層
の除去後に前記圧電要素205を上向きに反らせること
により、圧電要素205の厚さTCをなるべく薄くしな
がらも圧電要素205の基板との衝突がより効果的に防
止される。前記圧電要素205のサイズは1つの圧電要
素205から発生する電荷量とウェーハに加工される圧
電要素205の個数の積が最大となるように定められる
ことにより効果的に電気を発生させる。
In the piezoelectric generator 200 according to the present invention, the thickness TC of the piezoelectric element 205 is reduced by generating residual stress in the piezoelectric thin film supporting member 220 in advance and warping the piezoelectric element 205 upward after removing the sacrificial layer. The collision of the piezoelectric element 205 with the substrate is more effectively prevented while being as thin as possible. The size of the piezoelectric element 205 is determined so that the product of the amount of electric charge generated from one piezoelectric element 205 and the number of the piezoelectric elements 205 processed on the wafer is maximized, thereby effectively generating electricity.

【0051】前記圧電要素205から発生する電流は前
記電気回路105により自動車の蓄電池150に充電さ
れる。前記圧電要素205から発生する直流は前記電気
回路105のDC/AC変換器130により交流に変換
される。前記交流は前記変圧器140の高電圧コイル1
42を通して流れ、前記変圧器140の低電圧コイル1
44は蓄電池150の陰極と陽極にそれぞれ連結されて
電気が充電される。前記変圧器140と前記蓄電池15
0との間に提供されるダイオード160により蓄電池1
50から前記変圧器140を通して電流が放電されるの
が防止される。また、前記蓄電池150は自動車の通常
の交流発電機110に連結され前記交流発電機から電流
を供給される。前記交流発電機110は駆動時に自動車
の走行出力を減少させるために、自動車の電気システム
120で電気を必要としないか、あるいは完全に充電さ
れた状態では駆動されることなく空回転できるようにな
っている。本発明の圧電型発電機200はエンジン10
0の振動により浪費される機械的エネルギーを利用する
ことにより、前記交流発電機110とは異なり発電中に
自動車の出力を減少させないために、本発明の圧電型発
電機200は前記交流発電機110に代わってまたは前
記交流発電機110と共に作動する。
The electric current generated from the piezoelectric element 205 charges the storage battery 150 of the vehicle by the electric circuit 105. The DC generated from the piezoelectric element 205 is converted to AC by the DC / AC converter 130 of the electric circuit 105. The alternating current is applied to the high voltage coil 1 of the transformer 140.
42 and the low voltage coil 1 of the transformer 140
44 is connected to a cathode and an anode of the storage battery 150, respectively, and is charged with electricity. The transformer 140 and the storage battery 15
0 by the diode 160 provided between
Discharge of the current from 50 through the transformer 140 is prevented. Also, the storage battery 150 is connected to a normal AC generator 110 of a vehicle and is supplied with current from the AC generator. The alternator 110 does not require electricity in the vehicle's electrical system 120 to reduce the running power of the vehicle when driven, or can run idle without being driven when fully charged. ing. The piezoelectric generator 200 of the present invention
By utilizing the mechanical energy wasted by the vibration of zero, unlike the alternator 110, in order not to reduce the output of the vehicle during the power generation, the piezoelectric generator 200 of the present invention uses the alternator 110. Instead of or with the alternator 110.

【0052】本発明を実施例によって詳細に説明した
が、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属す
る技術分野において通常の知識を有する者であれば本発
明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または
変更できるであろう。
Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments, and a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs departs from the spirit and spirit of the present invention. Rather, the invention could be modified or changed.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上で説明したように、本発明による圧
電型発電機により浪費される機械的振動エネルギーから
有用な電気エネルギーを発生させ得る。また、同一の面
積のウェーハ上で最大限多くの電荷量が発生されるよう
に、圧電型発電機に用いられる圧電要素の形状、サイ
ズ、物性値を選択することにより、効果的に電気を発生
させるのが可能である。また、本発明による圧電型発電
機により提供される電気回路により圧電要素から発生す
る電気を効果的に蓄電池に充電できる。
As described above, useful electric energy can be generated from mechanical vibration energy wasted by the piezoelectric generator according to the present invention. In addition, by selecting the shape, size, and physical properties of the piezoelectric elements used in the piezoelectric generator so that the maximum amount of charge is generated on the same area of the wafer, electricity is generated effectively. It is possible to do. Further, the electric circuit provided by the piezoelectric generator according to the present invention can effectively charge the storage battery with electricity generated from the piezoelectric element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】タイヤに装着された従来の圧電型発電機を説明
する概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a conventional piezoelectric generator mounted on a tire.

【図2】風を利用して電気を発生させる従来の圧電型発
電機を説明する概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a conventional piezoelectric generator that generates electricity using wind.

【図3】本発明による圧電型発電機の基本概念を説明す
る概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a basic concept of a piezoelectric generator according to the present invention.

【図4】本発明の一実施例による圧電型発電機を示す概
略図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a piezoelectric generator according to an embodiment of the present invention.

【図5】図4の圧電型発電機に用いられる圧電要素を示
す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a piezoelectric element used in the piezoelectric generator of FIG. 4;

【図6】図5の圧電要素の振動特性を解釈するための機
械的なモデルを示す概略図である。
6 is a schematic diagram showing a mechanical model for interpreting the vibration characteristics of the piezoelectric element of FIG.

【図7】AないしCは図5の圧電要素の固有振動数を図
式的に示すグラフである。
7A to 7C are graphs schematically showing natural frequencies of the piezoelectric element of FIG. 5;

【図8】図5の圧電要素から発生する電荷量を図式的に
示すグラフである。
8 is a graph schematically showing an amount of electric charge generated from the piezoelectric element of FIG.

【図9】一定の面積のウェーハ上に加工可能な圧電要素
の個数を図式的に示すグラフである。
FIG. 9 is a graph schematically showing the number of piezoelectric elements that can be processed on a wafer having a certain area.

【図10】一定の面積のウェーハ上から発生する総電荷
量を図式的に示すグラフである。
FIG. 10 is a graph schematically showing a total charge amount generated from a wafer having a fixed area.

【図11】AないしDは図5に示す圧電要素の製造工程
図である。
11A to 11D are manufacturing process diagrams of the piezoelectric element shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

105 電気回路 110 交流発電機 120 電気システム 130 DC/AC変換器 140 変圧器 142 高電圧コイル 144 低電圧コイル 150 蓄電池 160 ダイオード 200 圧電型発電機 205 圧電要素 213,215 第1及び第2電極 210 圧電薄膜 220 圧電薄膜支持部材 Reference Signs List 105 electric circuit 110 alternator 120 electric system 130 DC / AC converter 140 transformer 142 high voltage coil 144 low voltage coil 150 storage battery 160 diode 200 piezoelectric generator 205 piezoelectric element 213, 215 first and second electrodes 210 piezoelectric Thin film 220 Piezoelectric thin film support member

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電薄膜、及び該圧電薄膜の下部に形成
され、前記圧電薄膜と共に機械的振動源の振動により変
形を起こす変形部及び該変形部の一側に一体に形成され
前記圧電薄膜と前記変形部を支持する支持部を有する圧
電薄膜支持部材をそれぞれ有し、機械的な振動源に取り
付けられるウェーハ上に提供されて前記機械的な振動源
の機械的な振動エネルギーから電気を発生させる多数の
圧電要素と、 前記圧電要素から発生する電気を蓄電池に充電させるた
めの電気回路とを有することを特徴とする圧電型発電
機。
1. A piezoelectric thin film, a deformed portion formed under the piezoelectric thin film, and deformed by the vibration of a mechanical vibration source together with the piezoelectric thin film, and a piezoelectric thin film integrally formed on one side of the deformed portion. Each of the piezoelectric thin film support members has a support portion for supporting the deformation portion, and is provided on a wafer attached to a mechanical vibration source to generate electricity from mechanical vibration energy of the mechanical vibration source. A piezoelectric generator comprising: a number of piezoelectric elements; and an electric circuit for charging a storage battery with electricity generated from the piezoelectric elements.
【請求項2】 前記圧電薄膜から発生する電荷を前記蓄
電池に伝達するために前記圧電薄膜の下部には第1電極
が形成され、前記圧電薄膜の上部には第2電極が形成さ
れることを特徴とする請求項1に記載の圧電型発電機。
2. A method according to claim 1, wherein a first electrode is formed below the piezoelectric thin film and a second electrode is formed above the piezoelectric thin film in order to transfer electric charges generated from the piezoelectric thin film to the storage battery. The piezoelectric generator according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記第1電極及び第2電極は白金、タン
タル、及び白金−タンタルからなるグループのうちから
選択されたいずれか1つでそれぞれ構成されることを特
徴とする請求項2に記載の圧電型発電機。
3. The device of claim 2, wherein the first and second electrodes are each made of one selected from the group consisting of platinum, tantalum, and platinum-tantalum. Piezoelectric generator.
【請求項4】 前記機械的振動源はエンジンであること
を特徴とする請求項1に記載の圧電型発電機。
4. The piezoelectric generator according to claim 1, wherein the mechanical vibration source is an engine.
【請求項5】 前記圧電薄膜、及び前記圧電薄膜支持部
材の変形部及び支持部はそれぞれほぼ直六面体の形状を
有し、前記圧電要素の一部がカンチレバーとして作用す
るように、前記圧電薄膜の長さと前記変形部の長さは前
記支持部の長さに比べて十分に長く形成されることを特
徴とする請求項1に記載の圧電型発電機。
5. The piezoelectric thin film and a deformed portion and a support portion of the piezoelectric thin film support member each have a substantially hexahedral shape, and the piezoelectric thin film has a shape such that a part of the piezoelectric element acts as a cantilever. 2. The piezoelectric generator according to claim 1, wherein the length and the length of the deformable portion are formed sufficiently longer than the length of the support portion. 3.
【請求項6】 前記圧電要素のカンチレバー部分には上
向きに反るように残有応力が形成されることを特徴とす
る請求項5に記載の圧電型発電機。
6. The piezoelectric generator according to claim 5, wherein residual stress is formed in the cantilever portion of the piezoelectric element so as to warp upward.
【請求項7】 前記圧電薄膜はZnO、PZT、または
PLZTからなるグループのうちから選択されたいずれ
か1つで構成されることを特徴とする請求項1に記載の
圧電型発電機。
7. The piezoelectric generator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is made of one selected from the group consisting of ZnO, PZT, and PLZT.
【請求項8】 前記圧電薄膜支持部材は窒化物からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電型発電機。
8. The piezoelectric generator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film supporting member is made of nitride.
【請求項9】 前記圧電薄膜の圧電常数は80pC/N
ないし220pC/Nであることを特徴とする請求項1
に記載の圧電型発電機。
9. The piezoelectric constant of the piezoelectric thin film is 80 pC / N.
2. The method according to claim 1, wherein the pressure is from 220 to 220 pC / N.
4. The piezoelectric generator according to claim 1.
【請求項10】 前記圧電薄膜支持部材のヤング係数は
200×109N/mないし400×109N/mである
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電型発電機。
10. The piezoelectric generator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film supporting member has a Young's modulus of 200 × 10 9 N / m to 400 × 10 9 N / m.
【請求項11】 前記圧電要素のサイズは1つの圧電要
素から発生する電荷量とウェーハに加工される圧電要素
の個数の積が最大となるように定められることを特徴と
する請求項1に記載の圧電型発電機。
11. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the size of the piezoelectric element is determined so that the product of the amount of electric charge generated from one piezoelectric element and the number of piezoelectric elements processed on a wafer is maximized. Piezoelectric generator.
【請求項12】 前記電気回路は前記圧電要素に電気的
に接続された第1端子、一側が前記圧電要素に電気的に
接続され、他側が接地される第2端子、一側が前記第1
端子に電気的に接続され、他側が接地される高電圧コイ
ル及び両側が前記蓄電池の陽極及び陰極にそれぞれ電気
的に接続される低電圧コイルを備える変圧器を有するこ
とを特徴とする請求項1に記載の圧電型発電機。
12. The electric circuit has a first terminal electrically connected to the piezoelectric element, a second terminal electrically connected to the piezoelectric element on one side, and a grounded second terminal on the other side, and a first terminal electrically connected to the first terminal on the other side.
2. A transformer comprising a high voltage coil electrically connected to a terminal and grounded on the other side and a low voltage coil electrically connected on both sides to an anode and a cathode of the storage battery, respectively. 4. The piezoelectric generator according to claim 1.
【請求項13】 前記電気回路は前記圧電要素から発生
した直流を交流に変換させるために前記第1端子に提供
されるDC/AC変換器をさらに有することを特徴とす
る請求項12に記載の圧電型発電機。
13. The electric circuit according to claim 12, wherein the electric circuit further comprises a DC / AC converter provided to the first terminal for converting a direct current generated from the piezoelectric element into an alternating current. Piezoelectric generator.
【請求項14】 前記電気回路は前記蓄電池から前記変
圧器を通して電流が放電されることを防止するために、
前記蓄電池と前記変圧器との間に提供されるダイオード
をさらに有することを特徴とする請求項12に記載の圧
電型発電機。
14. The electric circuit for preventing a current from being discharged from the storage battery through the transformer,
The piezoelectric generator according to claim 12, further comprising a diode provided between the storage battery and the transformer.
【請求項15】 i)その下部に第1電極及びその上部に
第2電極を形成する段階を有する圧電薄膜を形成する段
階、及びii)前記第1電極及び第2電極が形成された前
記圧電薄膜に取り付けられ前記圧電薄膜と共に機械的振
動源の振動により変形を起こす変形部及び前記変形部の
一側に一体に形成されて前記圧電薄膜と前記変形部を支
持する支持部を有する圧電薄膜支持部材を形成する段階
を有し、機械的振動源に取り付けられるウェーハ上に提
供されて前記機械的振動源の機械的振動エネルギーから
電気を発生させる多数の圧電要素を形成する段階と、前
記圧電要素から発生する電気を蓄電池に充電させるため
の電気回路を形成する段階とを有することを特徴とする
圧電型発電機の製造方法。
15. forming a piezoelectric thin film having a step of forming a first electrode under the first electrode and a step of forming a second electrode thereon; and ii) forming the piezoelectric thin film on which the first electrode and the second electrode are formed. A piezoelectric thin-film support, comprising: a deformable portion attached to a thin film and deformed by the vibration of a mechanical vibration source together with the piezoelectric thin film; Forming a plurality of piezoelectric elements provided on a wafer mounted on a mechanical vibration source to generate electricity from mechanical vibration energy of the mechanical vibration source; and forming the piezoelectric element. Forming an electric circuit for charging the storage battery with the electricity generated from the battery.
【請求項16】 前記圧電薄膜支持部材を形成する段階
は、基板上に低圧化学気相蒸着方法を利用して犠牲層を
形成する段階及び前記犠牲層の一部を食刻して除去する
段階の後に遂行されることを特徴とする請求項15に記
載の圧電型発電機の製造方法。
16. The step of forming the piezoelectric thin film supporting member includes forming a sacrificial layer on the substrate using a low pressure chemical vapor deposition method and etching and removing a part of the sacrificial layer. The method according to claim 15, wherein the method is performed after the step (c).
【請求項17】 前記犠牲層を形成する段階は、リンシ
リケートガラスを使用して1.0〜5.0μm程度の厚
さを有するように形成する段階であることを特徴とする
請求項15に記載の圧電型発電機の製造方法。
17. The method of claim 15, wherein forming the sacrificial layer is performed using phosphor silicate glass to have a thickness of about 1.0 to 5.0 μm. A method for manufacturing the piezoelectric generator according to the above.
【請求項18】 前記圧電要素を形成する段階は、前記
第1電極及び第2電極が形成された圧電薄膜の上部及び
側部、前記圧電薄膜支持部材の側部にフォトレジストを
使用して保護層を形成する段階及び前記犠牲層をフルオ
ロ化水素蒸気を使用して食刻する段階をさらに有するこ
とを特徴とする請求項15に記載の圧電型発電機の製造
方法。
18. The step of forming the piezoelectric element includes protecting the upper and side portions of the piezoelectric thin film on which the first electrode and the second electrode are formed and the side portion of the piezoelectric thin film support member using a photoresist. The method of claim 15, further comprising forming a layer and etching the sacrificial layer using hydrogen fluoride vapor.
【請求項19】 前記圧電薄膜支持部材を形成する段階
は、窒化物を低圧化学気相蒸着方法を使用して0.5〜
2.0μmの厚さを有するように形成する段階であるこ
とを特徴とする請求項14に記載の圧電型発電機の製造
方法。
19. The step of forming the piezoelectric thin film supporting member may include forming the nitride by using a low-pressure chemical vapor deposition method.
The method of claim 14, wherein the forming is performed to have a thickness of 2.0 μm.
【請求項20】 前記圧電薄膜部材を形成する段階は、
ゾルーゲル法、化学気相蒸着方法、またはスパッタリン
グ方法を使用して遂行されることを特徴とする請求項1
4に記載の圧電型発電機の製造方法。
20. The step of forming the piezoelectric thin film member,
2. The method according to claim 1, wherein the step is performed using a sol-gel method, a chemical vapor deposition method, or a sputtering method.
5. The method for manufacturing a piezoelectric generator according to item 4.
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