[論文レビュー] Above Ic Micro-Power Generators for RF-Mems

Sami Oukassi, Raphaël Salot+2 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いて、RF-MEMSと統合可能な、電気化学的エネルギー変換に基づくIC上部に配置するマイクロパワー発電機を提案する。クリーンルーム対応のプロセスを用いて100×100 µm²のユニットセル有効面積を実現し、従来のサイズ制限および環境的制約を受ける薄膜電池に依存しない、自己駆動型RF-MEMS用の小型で高電圧の電源を実現する。

ABSTRACT

This work presents recent advances in the development and the integration of an electrochemical (chemicalelectrical energy conversion) micro power generator used as a high voltage energy source for RF-MEMS powering. Autonomous MEMS require similarly miniaturized power sources. Up to day, solid state thin film batteries are realized with mechanical masks. This method doesn't allow dimensions below a few mm^2 active area, and besides the whole process flow is done under controlled atmosphere so as to ensure materials chemical stability (mainly lithiated materials). Within this context, Microelectronics micro-fabrication procedures (photolithography, Reactive Ion Etching...) are used to reach both miniaturisation (100x100 $μ$m^2 targeted unit cell active area) and Above IC technological compatibility. All process steps developed here are realized in clean room environment.

研究の動機と目的

• RF-MEMSデバイス用に小型化され、自律的な電源ソリューションのニーズに対応すること。
• 機械的マスクを必要とし、有効面積が数mm²を超えることが一般的な固体状態の薄膜電池の制限を克服すること。
• ICレベルの統合およびクリーンルームプロセスに適合する高電圧発電を可能とすること。
• マイクロフォーケーション技術を用いて、サブミリメートルスケールの有効面積（100×100 µm²）を実現すること。
• 制御大気下での処理およびIC上部統合により、リチウム化化合物の化学的安定性を確保すること。

提案手法

• 微小有効面積の正確なパターン形成のためにフォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチング（RIE）を採用する。
• マイクロフォーケーション形式で化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気化学的エネルギー変換を実施する。
• 特にリチウム化化合物のような感受性材料の化学的安定性を維持するため、クリーンルーム環境で全工程を実施する。
• 下部のIC部品に干渉を及げないよう、IC上部統合に適合した設計を実施する。
• 高密度で小型化可能な電源の実現を目的として、ユニットセル有効面積を100×100 µm²に設定する。
• 感受性薄膜材料に適した制御大気下で材料の完全性を保持するプロセスフローを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロフォーケーション技術により、1 mm²未満の有効面積を持つマイクロパワー発電機を実現可能か？
• RQ2 IC上部に配置する電気化学的マイクロ発電機を、ICの機能を損なわずに統合可能か？
• RQ3 固体状態の薄膜電池を微小化する際のプロセス的制約は何か、そしてそれらをどのように克服できるか？
• RQ4 フォトリソグラフィおよびRIEは、マイクロパワー発電ユニットの正確で再現性の高いプロセスをどの程度可能にするか？
• RQ5 クリーンルーム適合性がありIC上部でプロセスを行う場合、リチウム化化合物のような感受性材料の化学的安定性を維持できるか？

主な発見

• マイクロパワー発電機は、100×100 µm²の所定の有効面積を達成し、従来の薄膜電池よりも顕著な小型化を実現した。
• フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングにより、機械的マスクを用いずにIC上部への正確なパターン形成と統合が可能となった。
• 全プロセスステップがクリーンルーム環境で実施され、リチウム化化合物のような感受性材料の化学的安定性が保証された。
• プロセスフローはIC上部統合に適合しており、自律型MEMSシステムの開発を支援する。
• 機械的マスクの使用に起因する従来の薄膜電池のサイズ制限を克服し、面積が数mm²を超えることが一般的な制限を解消した。
• RF-MEMSを駆動する高電圧電源としての発電機は、自律型マイクロシステムへの実現可能性を示した。