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

用于宽带 MEMS 能量收集设备的压电/铁磁薄膜集成

• 批准号: 20H02120
• 负责人: 神田 健介
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: University of Hyogo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02120/
• 关键词: MEMS; 振動発電素子; 非線形効果; 圧電; 磁石; 圧電薄膜; 磁石薄膜; 振動発電; 非線形振動; エナジーハーベスタ; 自律センサ; ハーベスタ; 半導体製造プロセス; 強誘電体; 強磁性体; 薄膜; 微細加工; 磁性体薄膜

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。

圧 electric PZT thin film に よ る vibration 発 electric element child に magnet NdFeB film を set product change さ せ, hiroo 帯 domain な vibration 発 electric element child を be presently す る こ と を purpose と し を line っ て research て い る. Before the annual ま で に PZT thin film と NdFeB film 4 イ ン チ Si ウ エ ハ に set on す る バ ッ チ プ ロ セ ス を し, そ れ ぞ れ の film が そ の features を loss な う こ と な く function す る こ と を confirm し て い る. Our は ", be actually の デ バ イ ス line design を う た め, magnet film を group み 込 ん だ バ ネ マ ス ダ ン パ is の action に つ い て, finite element method に よ っ て demean し た magnetic force 気 を group み 込 ん だ movement equation ベ ー ス の the numerical analytical technique を establish し た. Youdaoplaceholder6 れを is designed using れを た for regional design を is currently being implemented である. Masato even し て, nonlinear な vibration characteristic を hold つ MEMS constructs の cycle for 応 answer を prior to measurement す る こ と は, this study の み な ら ず picture hiroo い 応 with に お い て very important で に あ る が, finite element method に よ る big - shape transition analytical は very に コ ス ト が high く 気 軽 に using で き る condition に no い の が status quo で あ る. Youdaoplaceholder0 そ でそ そ a simple な pre-test method を a test case た. Specific な は, static な finite element analytic か ら nonlinear な recovery force を drew し, こ れ を the numerical computing に す into force る も の で あ る. Youdaoplaceholder0 れに て て て domestic society や academic journal にお て て report みである みである. Party で, this study の も う a つ の 応 with と し て, magnet と 圧 を electric materials with い た wireless power 伝 send に も with mesh し て お り, 圧 electric MEMS vibrating 発 electric element child に バ ル ク magnet を stick り pay け た foundation be 験 を line っ た. 5 cm distance の に お い て over 100 mu W の power 伝 に し success, human へ の が small effect さ い low-frequency magnetic boundary に よ る wireless power 伝 send gimmick と し て の usefulness を confirm し た.

项目成果

タイヤトレッドの固有振動で発電する圧電MEMSデバイス

利用轮胎胎面自然振动发电的压电 MEMS 设备

• 发表时间: 2022
• 作者: 執筆者：54名;技術情報協会（分筆：鈴木孝明;第8章;第2節）;横田隆人，前中一介，神田健介，藤田孝之
• 通讯作者: 横田隆人，前中一介，神田健介，藤田孝之

MEMS圧電薄膜による飛翔デバイスの試作

使用MEMS压电薄膜的飞行装置原型

• 发表时间: 2023
• 作者: 田中雄樹;神田健介;前中一介
• 通讯作者: 前中一介

自律センサのためのMEMSエナジーハーベスティング

用于自主传感器的 MEMS 能量收集

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉田颯汰;及川靖広;谷川理佐子;神田健介
• 通讯作者: 神田健介

風から発電する圧電MEMS振動発電素子

利用风力发电的压电MEMS振动发电元件

• 发表时间: 2022
• 作者: 趙世華，園田直弘，高木伶菜，齋藤樹，阿部哲也;若山俊隆;田中洋介;神田健介，饗庭岳，前中一介
• 通讯作者: 神田健介，饗庭岳，前中一介

タイヤ固有振動で発電する圧電MEMSデバイス

利用轮胎自然振动发电的压电 MEMS 装置

• 发表时间: 2021
• 作者: 横田隆人，前中一介，神田健介，藤田孝之