Piezoelectric/Ferromagnetic thin-film integration for wide-band MEMS energy harvesting devices

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圧電PZT薄膜による振動発電素子にNdFeB薄膜磁石を集積化させ，広帯域な振動発電素子を実現することを目的として研究を行っている。前年度までにPZT薄膜とNdFeB薄膜4インチSiウエハ上に集積するバッチプロセスを確立し，それぞれの薄膜がその特性を損なうことなく機能することを確認している。今年度は，実際のデバイス設計を行うため，磁石薄膜を組み込んだバネマスダンパ系の動作について，有限要素法によって定式化した磁気力を組み込んだ運動方程式ベースの数値解析手法を確立した。これを用いた広帯域化設計を現在実施中である。関連して，非線形な振動特性を持つMEMS構造体の周波数応答を事前予測することは，本研究のみならず幅広い応用において非常に重要であるが，有限要素法による大変形過渡解析は非常に計算コストが高く，気軽に利用できる状況に無いのが現状である。そこでその簡易的な予測手法を考案した。具体的な手法は，静的な有限要素解析から非線形な復元力項を抽出し，これを数値計算に入力するものである。これについては国内学会や学術誌において報告済みである。一方で，本研究のもう一つの応用として，磁石と圧電材料を用いた無線電力伝送にも着目しており，圧電MEMS振動発電素子にバルク磁石を貼り付けた基礎実験を行った。5cmの距離において100μW以上の電力伝送に成功し，人体への影響が小さい低周波磁界による無線電力伝送手法としての有用性を確認した。