[論文レビュー] A High Power Density Electrostatic Vibration-to-Electric Energy Converter Based On An In-Plane Overlap Plate (IPOP) Mechanism

Ayyaz Mahmood Paracha, P. Basset+4 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、バルクシリコンにおけるイン・プレーン・オーバラップ・プレート（IPOP）メカニズムを用いた高パワー密度の静電式振動エネルギー変換器を提案する。バックサイドDRIEプロセスを採用することで寄生容量を低減し、質量損失を最小限に抑えることで、290 Hzの共振周波数でシミュレーション上のパワー密度が76.71 µW/cm³に達し、従来手法に比べ顕著な向上を実現した。

ABSTRACT

In this paper, design, fabrication and characterization issues of a bulk silicon-based, vibration powered, electric energy generator are addressed. The converter is based on an In-Plane Overlap Plate (IPOP) configuration [1]. Measurements have shown that with a theoretically lossless electronics and a starting voltage of 5 V, power density of 58 $μ$W/cm3 is achievable at the resonance frequency of 290 Hz. It can be further improved by reducing the parasitic capacitance, which can be achieved by silicon etching, but a considerable mass is lost. In [2], it is shown that 19% of mass reduction improves power density from 12.95 $μ$W/cm3 to 59 $μ$W/cm3. Hence an enhancement in fabrication process is proposed, which is termed as Backside DRIE. It helps in increasing power density without loosing an important quantity of mass. Simulations have shown that 2.5% of mass removal improves power density up to 76.71 $μ$W/cm3. Initial simulation results and problems of associated electronics are also discussed.

研究の動機と目的

• MEMS応用に適した高パワー密度静電式振動エネルギー変換器の開発を目的とする。
• 静電エネルギー変換器における寄生容量の低減と構造的質量の維持というトレードオフを解決することを目的とする。
• 顕著な質量減少を伴わずにプロセス最適化によりパワー密度を向上させることを目的とする。
• バルクシリコンにおけるIPOPメカニズムの実用的振動エネルギー回収への実現可能性を示すこと。

提案手法

• 可動電極と固定電極間の静電結合を最大化するために、イン・プレーン・オーバラップ・プレート（IPOP）構造を採用する。
• バックサイド深掘削反応イオンエッチング（Backside DRIE）プロセスを導入し、寄生容量を低減するとともに質量損失を最小限に抑える。
• バルクシリコンを用いたプロセスにより、高集積化と機械的強度を実現する。
• さまざまな質量減少レベルにおけるパワー密度の向上を評価するためにシミュレーションを実施する。
• 理論的分析では、損失のない電子回路と5 Vの初期電圧を仮定し、最大達成可能なパワー密度を推定する。
• 初期システム統合の文脈において、電荷ポンピングやインピーダンスマッチングといった電子回路の課題を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IPOPメカニズムは、バルクシリコンベースの静電式エネルギー変換器において高パワー密度を達成できるか？
• RQ2 寄生容量はパワー密度にどのように影響を及ぼし、構造的質量を損なわずに低減可能か？
• RQ3 従来のエッチング手法と比較して、バックサイドDRIEはどの程度パワー密度を向上させられるか？
• RQ4 理想的な電子回路条件下でのパワー密度の理論的上限は何か？
• RQ5 プロセスに起因する質量損失は、エネルギー変換器全体の性能にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 5 Vの初期電圧と損失のない電子回路を仮定した場合、IPOPベースの変換器は290 Hzの共振周波数でパワー密度58 µW/cm³を達成した。
• 19%の質量減少により、パワー密度は12.95 µW/cm³から59 µW/cm³に向上し、性能が寄生容量に極めて敏感であることが示された。
• バックサイドDRIEにより2.5%の質量減少が実現され、パワー密度が76.71 µW/cm³に向上した。これは従来の質量減少手法を著しく上回る性能向上を示した。
• 理論的シミュレーションにより、プロセスのさらなる最適化がパワー密度の顕著な向上をもたらすことが確認された。
• 初期のシミュレーション結果から、電子回路統合が依然として主な課題であり、特に電荷管理とインピーダンスマッチングの分野で課題が残っていることが示された。