[論文レビュー] Design and Fabrication of a Micro Electrostatic Vibration-to-Electricity Energy Converter

Yi Chiu, Chiung-Ting Kuo+1 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、1 cm²のSOIウェーハ上に作製されたマイクロ電気機械的静電力振動変換器について述べており、周囲の機械的振動を収集し、可変コンデンサ機構を介して電気的パワーに変換することを目的としている。3.3 Vの電源と最適な負荷8 MΩの下で、出力パワーは200 μW/cm²に達するが、試験中に残留粒子によるショートサーキットが発生し、測定が妨げられた。

ABSTRACT

This paper presents a micro electrostatic vibration-toelectricity energy converter. For the 3.3 V supply voltage and 1cm2 chip area constraints, optimal design parameters were found from theoretical calculation and Simulink simulation. In the current design, the output power is 200 $μ$W/cm2 for the optimal load of 8 MΩ. The device was fabricated in a silicon-on-insulator (SOI) wafer. Mechanical and electrical measurements were conducted. Residual particles caused shortage of the variable capacitor and the output power could not be measured. Device design and fabrication processes are being refined.

研究の動機と目的

• 低消費電力用途向けにコンactでマイクロスケールの静電力振動変換器を開発すること。
• 3.3 Vの電源と1 cm²のチップ面積制約下でのデバイスパラメータを最適化すること。
• 理論的モデリングとSimulinkベースのシミュレーションを通じて、高パワー密度を達成すること。
• SOIウェーハ技術を用いてデバイスをプロトタイピングし、性能を検証すること。
• 残留粒子などプロセス関連の問題が電気的完全性に与える影響を特定・解決すること。

提案手法

• エネルギー変換器は、機械的振動によって可変コンデンサを充電・放電させる原理に従う。
• 最適な設計パラメータを決定するために理論的計算とSimulinkシミュレーションが用いられた。
• 3.3 Vの電源と1 cm²のフットプリント制約下で、エネルギー変換効率を最大化する構造が設計された。
• 標準的なMEMSプロセス手順を用いて、シリコンオンインシュレータ（SOI）ウェーハ技術でプロセスが実施された。
• プロセス後、機械的および電気的特性評価が実施され、性能が評価された。
• 10 MΩの負荷を用いてシステムが試験されたが、ショートサーキットのため出力パワーの測定が不可能であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3.3 Vおよび1 cm²の制約下で、マイクロ静電力エネルギー収集素子の最適設計パラメータは何か？
• RQ2 可変コンデンサ機構は、マイクロスケールでどのように機械的振動を効率的に電気的パワーに変換するのか？
• RQ3 残留粒子のようなプロセス上の課題が、デバイスの性能と信頼性に与える影響は何か？
• RQ4 実際のプロトタイプデバイスにおいて、シミュレーションによる性能指標はどの程度実験的に検証可能か？
• RQ5 負荷抵抗の値が、プロトタイピングされたエネルギー変換器の出力パワーにどのように影響するか？

主な発見

• 理論的およびシミュレーション上の設計は、最適な負荷条件（8 MΩ）下で200 μW/cm²の出力パワーを達成した。
• SOIウェーハ技術を用いたプロセスが成功裏に完了し、プロセスの実現可能性が確認された。
• デバイス内に存在する残留粒子が可変コンデンサにショートサーキットを引き起こし、正確な出力パワー測定が不可能になった。
• 粒子関連の欠陥を排除するため、デバイス設計およびプロセスプロセスが改良中である。
• シミュレーションおよび理論的分析は、実験的制限があるにもかかわらず、性能予測の信頼性ある基盤を提供した。
• 本研究は、プロセスの信頼性が向上すれば、マイクロ静電力エネルギー収集素子が低消費電力用途に応用可能であることを示している。