【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2025.05.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23UT1138
利用課題名 / Title
ＭＥＭＳエレクトレット振動発電素子
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
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）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）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（副 / Sub）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
キーワード / Keywords
表面処理、形状・形態観察,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,環境発電/ Energy Harvesting,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device
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）,技術相談/Technical Consultation
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付近で±数Ｈｚの周波数追従機能を有するＭＥＭＳ方式の振動発電素子（エナジーハーベスタ）を実現した。
実験 / Experimental
シリコンマイクロマシニング加工で製作した面積２ｃｍ×３ｃｍ程度の振動素子の電極表面にエレクトレット（永久電荷）を有するシリコン酸化膜を形成し、外部振動による電極間の相対的距離の変化から静電誘導電流を発生する振動発電素子を形成した。また、その電極の一部分を切り分けて振動の位相を計測できるように改良し、外部振動による強制励振の加速度から９０°位相遅れの状態（すなわち共振）を自動的に維持するＰＬＬ（Phase Locked Loop）形式の制御回路を構成した。これにより、外部振動の周波数に追従して高出力を維持可能な振動発電素子を実現した。
結果と考察 / Results and Discussion
本研究に先立ち、昨年度には外部負荷の値によって系の共振周波数を制御可能なエレクトレット型の振動発電素子を実現した。今回はこの成果に基づき、外部振動に対する応答の位相遅れを電気的に計測可能な電極を有する素子を考案し、それをＰＬＬ形式の制御回路内に組み込んで、外部振動周波数を常に追従する世界初の振動発電素子を実現した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 Photograph of MEMS vibrational energy harvester with a phase-monitoring electrode
Fig. 2 Power spectrum of harvested power with and without PLL controller.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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。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)
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Hiroaki Honma, MEMS Electrostatic Energy Harvester Developed by Simultaneous Process for Anodic Bonding and Electret Charging, Sensors and Materials, 35, 1941(2023).
DOI: https://doi.org/10.18494/SAM4402
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Gen Hashiguchi, Electret MEMS Vibration Energy Harvester with Reconfigurable Frequency Response, Sensors and Materials, 35, 1957(2023).
DOI: https://doi.org/10.18494/SAM4367
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Yuto Akai, Hiroaki Honma, and Hiroshi Toshiyoshi, "FREQUENCY TRACKING OF VIBRATIONAL ENERGY HARVESTER USING PHASE-LOCKED LOOP (PLL)," in Proc. 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2023), June 25-29, 2023, Kyoto International Conference Center, Kyoto, Japan, pp. 284-287. (oral)
- Hiroaki Honma, Yukiya Tohyama, and Hiroshi Toshiyoshi, "A MEMS VIBRATIONAL ENERGY HARVESTER CAPABLE OF RESTLESS CHARGING CAPACITOR FROM RANDOM VIBRATIONS," in Proc. 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2023), June 25-29, 2023, Kyoto International Conference Center, Kyoto, Japan, pp. 1252-1255. (poster)
- Hiroyuki Mitsuya, Hisayuki Ashizawa, Takuma Ishiguro, Gen Hashiguchi, Kenji Shiraishi, and Hiroshi Toshiyoshi, "Highly reliable electret for heat resistive vibrational energy harvester," in Proc. 19th International Symposium on Electret (ISE19), Sept. 18-22, 2023, Bildungshaus Sankt Magdalena Educational Center, Linz, Austria.
- Hiroyuki Mitsuya, Katsufumi Hashimoto, Kai-Chun Chang, Hisayuki Ashizawa, Hiroaki Honma, Gen Hashiguchi, Hiroshi Toshiyoshi, and Tomoki Shiotani, "Low-Power Frequency Monitoring System for Bridge using MEMS Vibrational-Energy Harvesting Sensor," Innovative Non-Destructive Testing for Civil Engineers (INDTCE) and 4th International Workshop on Self-Healing & Intelligent Materials (SHIM), Oct. 30 - Nov. 2, 2023, Hilton Hawaiian Village, Honolulu, Hawaii, US.
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