利用報告書 / User's Report

【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.04.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22UT1076

利用課題名 / Title

ＭＥＭＳ振動発電型エナジーハーベスタ

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

表面処理,形状・形態観察、環境発電,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,MEMSデバイス


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

年吉 洋

所属名 / Affiliation

東京大学生産技術研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

本間　浩章

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-500：高速大面積電子線描画装置
UT-900：ステルスダイサー


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ＩｏＴ無線センサ用の自立電源として、周波数100Hz、加速度0.1G程度の環境振動から500µW以上の電力を回収する振動発電素子を半導体シリコン微細加工に基づくＭＥＭＳ技術を用いて製作し、その特性を評価した。 

実験 / Experimental

貼り合わせＳＯＩ基板の両面を振動発電素子形状に加工した後に、電極表面の酸化膜を６５０℃の高温で加熱しつつ、５００Ｖ程度の高電圧で分極処理することで、エレクトレット（永久電荷）を帯びた静電誘導型の振動発電素子を製作した。本研究では、フォトリソに用いるマスクの製作に施設を利用した。

結果と考察 / Results and Discussion

振動発電の電力を取り出す電極９００対のうち２０対程度を分離して、振動発電素子の動作に影響を与えずに振動位相状態を読み出し可能なモニタ用電極を設けた。この電極から振動の位相情報を読み出し、その情報を元に振動発電素子の出力端に繋がる負荷抵抗を制御することで、常に入力振動から位相９０度遅れの状態、すなわち共振状態を維持する制御系を構築した。これにより、入力振動周波数に追従して常に共振状態で最大出力を維持する振動発電素子を世界で初めて実証した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


 Fig.1 Photograph of MEMS vibrational energy harvester with a phase-monitoring electrode. Device size is 2.5 x 3.0 cm.



Fig.2 Power spectrum of harvested power. Resonant frequency of the harvester is tuned by +/-2 Hz around 139 Hz using the value of load resistance between 1 MΩ and 20 MΩ.


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

l  本研究は科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業（グラント番号 JPMJCR19Q2）の支援を受けており、静岡大学、群馬大学、株式会社鷺宮製作所との共同研究として実施しました。 l  東京大学微細加工拠点のスタッフにはいつも丁寧な技術支援を頂いており、感謝申し上げる。


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Hiroyuki Mitsuya, Low-Power Frequency Monitoring System for Bridge Using MEMS Vibrational-Energy Harvesting Sensor, IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines, 142, 139-146(2022).
    DOI: https://doi.org/10.1541/ieejsmas.142.139
  2. Hiroaki Honma, Double-Deck MEMS Electrostatic Vibrational Energy Harvester with Airborne Interconnection, IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines, 142, 215-219(2022).
    DOI: https://doi.org/10.1541/ieejsmas.142.215
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. Hiroaki Honma, Shunsuke Yamada, and Hiroshi Toshiyoshi, "Autonomous IoT wireless sensor node driven by 1 mW MEMS electrostatic energy harvester," in Proc. 2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment (MIPE2022), Aug. 28-31, 2022, Nagoya University, Nagoya, Japan, C1-2-02 (3p). (Hybrid)
  2. Mohammed Saad Khan, Changdae Keun, Yi Xiao, Vivek Anand Menon, Keiji Isamoto, Nobuhiko Nishiyama, and Hiroshi Toshiyoshi, "Compact low-cost solution for wavelength sensitive applications with micro-machined tunable VCSEL," in Proc. 2022 IEEE International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (OMN 2022), Sept. 12-15, 2022, online.
  3. Mohammed Saad Khan, Changdae Keun, Yi Xiao, Vivek Anand Menon, Keiji Isamoto, Nobuhiko Nishiyama, and Hiroshi Toshiyoshi, "Compact low-cost solution for wavelength sensitive applications with micro-machined tunable VCSEL," in Proc. 2022 IEEE International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (OMN 2022), Sept. 12-15, 2022, online.
  4. Hiroaki Honma, Hiroyuki Mitsuya, Gen Hashiguchi, Hiroyuki Fujita, and Hiroshi Toshiyoshi, "Power Generation Demonstration of Electrostatic Vibrational Energy Harvester with Comb Electrodes and Suspensions Located in Upper and Lower Decks," Sensors and Materials, vol. 34, no. 4(3), 2022, pp. 1527-1538. https://sensors.myu-group.co.jp/article.php?ss=3785
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

スマートフォン用ページで見る