イオン液体の可変大容量キャパシタを利用したエレクトレット振動発電素子の開発

采用离子液体可变大容量电容器的驻极体振动发电元件的开发

• 批准号: 18J14159
• 负责人: 佐野 智華子
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J14159/
• 关键词: エレクトレット; 低消費電力; ＭＥＭＳ; MEMS

昨年度に引き続き、カリウムイオンエレクトレットの応用先として面外方向に動作する振動膜で構成した静電駆動マイクロアクチュエータを取り上げ、シリコンマイクロマシニング技術を用いて製作する方法を考案し、デバイスの試作と特性評価を行った。昨年度作製したエレクトレット積層型のデバイスはエレクトレットチップをデバイスとは別に作製して積層するため、エレクトレット化のプロセスが容易ではあるが、振動膜とエレクトレットの間のギャップ制御や位置合わせを必要とした。そこで今年度は、ＳＯＩウエハから作製したデバイスの内向面にあたる１～２μｍの狭ギャップ部分にエレクトレットを形成するエレクトレット一体型のデバイスに取り組んだ。ＬＯＣＯＳ法を利用したプロセスにより作製したエレクトレット一体型の振動膜アクチュエータの挙動を確認したところ、エレクトレットが振動膜と対向電極との間に－４０Ｖ分の電位差を形成したことが静特性ならびに動特性から確認できた。つまり、バイアス電圧を印加せずに信号電圧のみで駆動しても、エレクトレットにより静電変位が増大し、４０Ｖのバイアス電圧を印加したときと同じ出力が得られることを示した。また、今年度はエレクトレット材料をＭＥＭＳ静電アクチュエータに応用する際の理論の構築も行った。平行平板アクチュエータにエレクトレット膜を形成した際に対向電極との間に生じる静電引力を計算し、ＬＴｓｐｉｃｅモデルを作成してその挙動を検証した。これにより、エレクトレットが外部ＤＣ電圧と等価の電位を対向電極との間に形成し、静電変位を増大する効果があることを確認できた。また、デバイスの動特性に影響する共振周波数や、エレクトレット化プロセスの際に把握しておく必要のあるプルイン電圧に関しては、設計指針を検討するとともに、有限要素法を用いた物理シミュレーションソフトウェアであるＣＯＭＳＯＬを用いて具体的な値を確認した。

继去年之后，我们重点研究了钾离子驻极体的应用，由振动膜组成的在面外方向操作的静电驱动微致动器，设计了采用硅微加工技术的制造方法，制作了该装置的原型，并评估了它的特点。去年生产的驻极体堆叠器件将驻极体芯片与器件分开制作并堆叠起来，使驻极体工艺变得容易，但需要振动膜和驻极体之间的间隙控制和对准。因此，今年我们研究了一种驻极体集成器件，其中驻极体形成在由SOI晶片制成的器件的内向表面上的1至2μm的狭窄间隙中。当我们确认采用 LOCOS 方法制造的驻极体集成振动膜致动器的行为时，我们发现驻极体根据静态和动态特性 I 在振动膜和对电极之间产生 -40V 电位差。能够确认。即，可知即使在不施加偏压而仅用信号电压驱动的情况下，驻极体的静电位移也会增大，能够得到与施加40V的偏压时相同的输出。今年，我们还建立了将驻极体材料应用于MEMS静电执行器的理论。当在平行板致动器上形成驻极体膜时，计算其与相对电极之间产生的静电引力，创建LTspice模型，并验证其行为。由此确认，驻极体在对置电极间形成与外部直流电压同等的电位，具有增加静电位移的效果。此外，关于影响器件动态特性的谐振频率以及驻极体过程中需要了解的吸合电压，我们将考虑设计指南并使用COMSOL（一种使用有限元方法的物理模拟软件）。具体值使用确认

项目成果

エレクトレットを利用した低消費電力静電マイクロスピーカー

使用驻极体的低功耗静电微型扬声器

• 发表时间: 2019
• 作者: 佐野 智華子;安宅 学;橋口 原;年吉 洋
• 通讯作者: 年吉 洋

Low-voltage-driven electrostatic microspeakers with potassium-ion-electrets

具有钾离子驻极体的低压驱动静电微型扬声器

• DOI: 10.1088/1742-6596/1407/1/012129
• 发表时间: 2019
• 作者: Sano C;Menon V;Honma H;Hashiguchi G;Toshiyoshi H
• 通讯作者: Toshiyoshi H

Triboelectric energy harvesting with surface-charge-fixed polymer based on ionic liquid

基于离子液体的表面电荷固定聚合物摩擦电能量收集

• DOI: 10.1080/14686996.2018.1448200
• 发表时间: 2018
• 影响因子: 5.5
• 作者: Sano Chikako;Mitsuya Hiroyuki;Ono Shimpei;Miwa Kazumoto;Toshiyoshi Hiroshi;Fujita Hiroyuki
• 通讯作者: Fujita Hiroyuki

Electret assisted low-power bidirectional electrostatic microspeakers

驻极体辅助低功耗双向静电微型扬声器

• 发表时间: 2019
• 作者: Chikako Sano;Manabu Ataka;Gen Hashiguchi;Hiroshi Toshiyoshi
• 通讯作者: Hiroshi Toshiyoshi

An Electret-Augmented Low-Voltage MEMS Electrostatic Out-of-Plane Actuator for Acoustic Transducer Applications

适用于声学换能器应用的驻极体增强型低压 MEMS 静电面外致动器

• DOI: 10.3390/mi11030267
• 发表时间: 2020
• 影响因子: 3.4
• 作者: Sano Chikako;Ataka Manabu;Hashiguchi Gen;Toshiyoshi Hiroshi
• 通讯作者: Toshiyoshi Hiroshi