JP2004532743A - 圧電マイクロトランスデューサ、その使用法および製造法 - Google Patents
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Abstract
ある形態のエネルギーを他の形態の有用なエネルギーに変換するための圧電材料を組み込んでいる、様々なマイクロトランスデューサを開示する。一つの態様では、圧電マイクロトランスデューサを、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する微小熱機関、または熱エネルギーを低温熱源から高温放熱器に伝達するように電気エネルギーを消費する微小熱ポンプとして、動作させることができる。他の態様では、マイクロトランスデューサが載せられた揺動体または振動体の運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換するのに、圧電マイクロトランスデューサが用いられる。圧電マイクロトランスデューサは、加圧された流体流から仕事を抽出するのにも用いられる。さらに、単一の流体が作動流体および燃料として働くランキン・サイクルに基づく、微小内燃機関および微小熱機関を開示する。
Description
【０００１】
分野
本発明は概して、ある形態のエネルギーを他の形態のエネルギーに変換するのに用いることのできる圧電特性を有するマイクロトランスデューサに関する。
【０００２】
連邦認可
本発明は、国立科学財団から認可番号９９−８０−８３７の下での支援によって開発されたものである。
【０００３】
背景
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）および微小電子機器の小型電源の必要性は長い間認識されてきた。すでにマイクロスケール電池およびマイクロスケール熱機関に関する多大な研究がなされている。マイクロスケール熱機関は、それによって燃焼される炭化水素燃料によって非常に高密度にエネルギーが蓄積されるため、特に魅力的な選択肢である。したがって、炭化水素燃料として蓄積された化学エネルギーを機械エネルギーまたは電気エネルギーに変換できる微小熱機関は、非常に小型の電源の基礎を形成する。
【０００４】
微小熱機関を構築する試みでは、従来の大規模熱機関用のハードウェアがマイクロスケールで製造できるように再設計されている。今までのところ、このような試みはまだ開発段階であり、成功していない。
【０００５】
真の熱機関ではないが、熱駆動デバイスがマイクロスケールで構築されている。このようなあるデバイスでは、キャビティに含まれる水が、加熱されたときに駆動シャフトを押す。水は冷却時に凝縮し、液体の毛管作用によって駆動軸が引き込まれる。しかしこのデバイスは、電力を用いて作動流体を加熱し蒸発させ、かつ作動流体を循環的に加熱し冷却するための機構がないため、真の熱機関ではなく作動装置として機能する。他の熱駆動作動装置は、短い距離にわたって力をかける場合に固体の熱膨張、またはいわゆる形状記憶合金の形状変化に依存する。この場合も、これらのデバイスは、循環的に動作せず、かつ熱エネルギーを機械力または電力に変換しないため、真の熱機関ではない。
【０００６】
ＭＥＭＳおよび微小電子デバイスにおける電力トランスデューサとして何年も圧電薄膜が使用されている。従来の微小加工方法を用いてこのようなデバイスを作製することは比較的容易であるため、圧電被膜は電力変換用の魅力的な選択肢である。一般的には、微小加工では、集積回路の製造に使用できるように開発され改良された、マイクロリソグラフィやエッチングなどの処理技術が使用される。微小加工は寸法の微細な調節を可能にするものであり、シリコンから部品を作製するのに広く用いられている。しかし微小加工は、シリコンまたは従来集積回路の製造に用いられている他の材料からの工作物の形成への適用が制限されておらず、微小加工を他の材料に適用することが知られている。
【０００７】
マイクロ作動装置、ポンプ、弁のような圧電被膜の大部分の用途では、電力が機械力に変換される。圧電被膜を利用したマイクロセンサも機械から電気への変換に使用されているが、このようなデバイスは使用可能な電力を有効な程度に生成することができない。したがって、エネルギーを熱エネルギーや運動エネルギーのような一形態から、ＭＥＭＳおよび微小電子デバイスに電力を供給するための有用な電気エネルギーに変換するのに圧電薄膜を利用することが望ましい。
【０００８】
小型電源と共に、ＭＥＭＳおよび微小電子機器から熱を除去するように構成されたマイクロデバイスも必要である。特に集積回路製造業者は、高動作温度によって課されるマイクロプロセッサ速度および性能の限界にすでに達している。したがって、積極的な冷却を通じて廃熱を除去することによってチップ動作温度を低下させることは、マイクロプロセッサ業界がこのような障害を克服するうえで利用できる最も有望な方法の１つとみなされる。したがって、ＭＥＭＳおよび微小電子機器の冷却用途向けに微小熱ポンプで圧電被膜を実現することが望ましい。
【０００９】
したがって、ＭＥＭＳおよび微小電子デバイスと共に使用できる圧電マイクロトランスデューサが必要である。
【００１０】
概要
一態様によるマイクロトランスデューサは、第１の膜、第２の膜、第１の膜と第２の膜との間に協同的に形成された液密キャビティ、およびキャビティ内に配置された作動流体を含む。第１の膜は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に配置された圧電部材を含む。
【００１１】
マイクロトランスデューサは、微小熱機関または微小熱ポンプとして動作させることができる。微小熱ポンプの場合、第２の膜に隣接して低温放熱器が配置され、第１の膜に隣接して高温熱源が配置される。高温熱源はおよび低温放熱器は、それぞれ第１の膜および第２の膜と周期的に熱接触し、したがって、微小熱機関を通じて高温熱源から低温放熱器に流れる熱エネルギーは電気エネルギーに変換される。微小熱ポンプの場合、第１の膜に隣接して低温熱源が配置され、第２の膜に隣接して高温放熱器が配置される。低温熱源はおよび高温放熱器は、それぞれ第１の膜および第２の膜と周期的に熱接触する。熱が低温熱源から高温放熱器に伝達されるように、電気エネルギーが微小熱ポンプによって消費される。微小熱機関でも微小熱ポンプでも、作動流体は望ましくは、蒸気と液体の飽和混合物を含む。
【００１２】
他の態様によれば、複数のマイクロトランスデューサが、シリコン・ウェハのような一対の第１および第２の基板として形成される。第１の基板と第２の基板との間に複数の液密キャビティが協同的に形成され、キャビティ内に作動流体が含められる。第１または第２の基板上の各キャビティに複数の圧電ユニットが形成される。各圧電ユニットは、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極の間に挿入された圧電層を含む。各対がマイクロトランスデューサのアレイを含む第１および第２の基板の追加の対を、各レベルがそれ自体の温度差分にわたって動作する縦続レベルのシステムを形成するように積み重ねることができる。
【００１３】
マイクロトランスデューサを構築する一態様による方法は、第１の基板および第２の基板を提供する段階を含む。第１または第２の基板上に第１の金属層、圧電層、および第２の金属層が形成される。第１の基板と第２の基板との間にキャビティが形成され、キャビティ内に作動流体が導入される。第１の基板と第２の基板は、流体をキャビティ内に密封するように接合される。特定の一手法では、たとえばフォトレジスト材料の層を含む中間層が、第１の基板と第２の基板との間に挿入される。キャビティは、第１および第２の基板、ならびに中間層に形成された開口部によって形成される。第１および第２の基板の一部をエッチングすることなどによって第１および第２の基板に凹部を形成し、エネルギーを伝導することのできるマイクロトランスデューサの第１および第２の膜を形成することができる。
【００１４】
マイクロトランスデューサを用いて電気エネルギーを生成する一態様による方法も提供される。マイクロトランスデューサは、流体を受け入れるチャンバ、および圧電発電機を含む表面を有する。マイクロトランスデューサのチャンバに流体が導入される。流体が膨張し、圧電発電機が外側にたわみ、それによって電荷が発生する。特定の一手法では、流体はチャンバに密封された作動流体であり、熱エネルギーが、マイクロトランスデューサを通って高温熱源と低温放熱器との間を流れ、流体を膨張させる。他の手法では、流体は流体チャンバ内で点火される燃料と酸化剤の混合物を含む。燃料と酸化剤の混合物が燃焼すると、圧電発電機が流体チャンバから外側にたわみ、それによって電荷が発生する。
【００１５】
他の態様によれば、圧電発電機を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、圧電発電機を揺動体に結合する段階を含む。本体が揺動することによって圧電発電機が揺動し、それによって電荷が発生する。電気デバイスに電力を供給するかまたは電池に再充電する場合に圧電発電機からこの電荷を除去することができる。望ましくは、圧電発電機は圧電発電機によって生成される電気エネルギーを最大にするように、本体の振動周波数と概ね等しい共振機械周波数を有するように構成される。
【００１６】
他の態様によるマイクロトランスデューサは支持構造を含む。圧電発電機は、この支持構造に結合され、支持構造に対してたわむことができる。圧電発電機の共振機械周波数を減少させるように、圧電発電機によって所定の位置に質量が保持される。
【００１７】
発明の説明
この説明では、語「トランスデューサ」は、一形態の有用なエネルギーを他の形態の有用なエネルギーに変換するデバイスを指すのに用いられる。たとえば、エネルギーは、機械的運動のエネルギーから電流に変換するか、または熱エネルギーから機械的運動に変換することができる。さらに、ある様式で動作できる多数のトランスデューサが逆の様式でも動作できることが知られている。一例として、あるデバイスは、エネルギーを電流から機械的運動に変換する電動機として動作すると共に、機械的運動を電流に変換する発電機として動作することもできる。さらに、「圧電材料」は、たとえば曲げ、たわみの結果として加えられる機械的応力が電気的分極を生じさせ、逆に、印加された電界が、材料の機械的変位を生じさせる機械的ひずみを誘導する材料を指す。本明細書で使用される語「基板」は、１つまたは複数のマイクロトランスデューサを作製することができ、従来半導体デバイスの製造に用いられているシリコン・ウェハなどの材料に制限されない任意の支持材料を指す。
【００１８】
微小熱機関／微小熱ポンプ
一局面によれば、マイクロトランスデューサは、高温から低温に流れる熱エネルギーを電流に変換する微小熱機関、または電気エネルギーを消費してより低い温度からより高い温度に熱エネルギーをポンピングする（ｐｕｍｐ）微小熱ポンプ、すなわち微小冷蔵庫として働くことができる。マイクロトランスデューサは、たとえばＭＥＭＳや微小電子デバイスに電力を供給する微小熱機関、またはＭＥＭＳまたは微小電子デバイスから熱を除去する微小熱ポンプとして使用できる特定の適用性を有する。
【００１９】
図１は、一態様によるマイクロトランスデューサ１０の拡大断面図を示す。図示の構成のマイクロトランスデューサ１０は、第１の主層１２および第２の主層１４を含むセル状構造を有する。他の態様では、マイクロトランスデューサ１０は円形または他の様々な形状であってよいが、マイクロトランスデューサ１０は概ね矩形の形状を有する。作動態様においては、第１および第２の主層１２および１４はシリコン・ウェハを含む。しかし、マイクロトランスデューサ１０は、石英、サファイア、プラスチック、セラミック、またはアルミニウムなどの薄膜金属のようなシリコン以外の材料で製作することができる。シリコン・ウェハまたは他の同等な材料からマイクロトランスデューサ１０を製造する方法について以下に詳しく記載する。
【００２０】
第１の主層１２と第２の主層１４との間に流体キャビティ８が協同的に形成されている。本態様では、たとえば流体キャビティ８は、マイクロトランスデューサ１０の第１の膜１８（図１では上方の膜１８として示されている）、マイクロトランスデューサ１０の第２の膜１６（図１では下方の膜１６として示されている）、および側壁２０で囲まれている。第２の膜１６は、第２の主層１４に規定された凹部、またはより厚みの減少した領域を含む。第１の膜１８も同様に、凹部、またはより厚みの減少した領域を含む。側壁２０は、第１の主層１２と第２の主層１４との間に配置された中間層３８内に形成された、概ね矩形の開口部によって規定されている。
【００２１】
流体キャビティ８内に作動流体６が含まれている。図１に示されているように、作動流体６は、飽和蒸気２２および飽和液体２３を含む２つの相を含んでよい。望ましくは、マイクロトランスデューサ１０で使用される作動流体は、マイクロトランスデューサ１０の熱力学的サイクル全体にわたって、飽和液体−蒸気混合物のままであるように選択される。特定の二相作動流体の選択は、マイクロトランスデューサ１０の動作環境に依存する。たとえば、比較的低温の用途（すなわち、２０００Ｆよりも低い温度）では、Ｒ１１などの冷媒が適切であることが証明されている。中程度の温度の用途（すなわち、２０００Ｆを超える温度）では、二相作動流体として水を使用することができる。以下に説明する理由でさほど望ましくはないが、作動流体６は完全に蒸気または液体からなりうる。
【００２２】
いずれにせよ、二相作動流体の使用は、トランスデューサによって実現される熱効率が理想的なカルノー・サイクルの熱効率にほぼ等しくなるという点で重要である。従来の大規模な熱機関および熱ポンプでは、表面張力によって、二相飽和混合物の液体部分が膨張過程および圧縮過程中に熱機械を急速に破壊しうる小さな液滴を形成するため、二相流体を使用することはできない。しかし、本態様では、表面張力がマイクロスケールで生じるため、二相作動流体を使用することができる。具体的には、図１に示されているように、液体部分２３は蒸気表面張力によって部分２２から分離し、トランスデューサ１０の内壁２０に付着し、他の場合にトランスデューサを損傷させる液滴の形成を防止する。
【００２３】
図１Ａにおいて、図１の拡大部分は、第１の膜１８が望ましくは、第１の主層１２の材料（たとえば、本例ではシリコン）を含む支持層２４を含むことを示している。任意の酸化シリコン層２６が支持層２４に並置され、第１の電極２８（図１Ａには頂部の電極として示されている）が酸化層２６に並置され、圧電部材または層３４が頂部の電極に並置され、かつ第２の電極３６（図１Ａには底部の電極として示されている）が底部の電極３６に並置されている。支持層２４、酸化層２６、頂部の電極２８、圧電層３４、および底部の電極３６は全体として第１の膜１８を規定している。
【００２４】
第１および第２の各電極２８、３６は、任意の適切な材料を含んでよい。たとえば作動態様において、底部の電極３６は金（Ａｕ）の層を含む。第１の電極２８は、白金（Ｐｔ）の第１の層３２およびチタン（Ｔｉ）の任意の第２の層３０を含み、白金層の酸化シリコン層２６への付着を容易にしている。圧電層３４は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような十分な圧電特性を有する任意の材料から作製することができる。
【００２５】
中間層３８は、たとえば、ＳＵ８（シェル・ケミカル社（Ｓｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）から市販されている）などのフォトレジスト材料の層を含む。マイクロトランスデューサ１０の側壁２０を形成するように、フォトレジスト材料中に開口部が形成されている。マイクロトランスデューサ１０の第２の膜１６は第２の主層の材料（たとえば、本事例ではシリコン）を含む。第２の膜１６は、第１の膜１８よりも厚みが大きく、したがって、第２の膜１６は一般に第１の膜よりも硬い。したがって、マイクロトランスデューサ１０の動作中に、第１の膜１８は内側および外側にたわみ、一方、第２の膜１６は実質的に一定の外形を保持する。
【００２６】
一般的に言えば、圧電層３４は、電極２８および３６と共に、（電気的な仕事を機械的な仕事に変換する）圧電作動装置および（機械的な仕事を電気的な仕事に変換する）圧電発電機の両方として機能する圧電ユニットを規定する。作動装置としての動作に関しては、頂部および底部の各電極２８および３６に印加された電圧によって、圧電層３４、およびそれによって第１の膜１８が内側にたわみ、それによって作動流体６の蒸気相２２が圧縮される。逆に、発電機としての動作に関しては、作動流体６の蒸気相２２が膨張し、圧電層３４、およびそれによって第１の膜１８が外側にたわんだときに、頂部および底部の各電極２８および３６の間にわたって電圧が発生する。したがって、第１の膜１８は内側および外側にたわみ、トランスデューサ内に含まれる作動流体の蒸気相を交互にそれぞれ、膨張させ圧縮させる。しかし、従来の機械におけるすべり部品および回転部品とは異なり、マイクロトランスデューサ１０ではすべり摩擦による散逸損失の問題は起こらない。マイクロトランスデューサ１０の動作および構造のさらなる詳細を、まず微小熱機関に関して、次いで微小熱ポンプに関して、以下に記載する。
【００２７】
微小熱機関
図２Ａ〜２Ｄは、高温熱源４４と低温放熱器４６との間で動作する一態様による熱機関４２の熱力学的サイクルを示している。図示の態様では、高温熱源４４は、第１の膜１８を高温熱源４４に周期的に熱結合するように動作可能な、熱スイッチまたは接点４８を有する。同様に、低温放熱器４６は、第２の膜１６を低温放熱器４６に周期的に熱結合するように動作可能な、熱スイッチまたは接点５０を有する。熱機関４２の熱力学的サイクルは、カルノー蒸気サイクルに基づき、以下の４つの過程から成る：（１）圧縮、（２）高温熱付加、（３）膨張および電力生成、（４）低温熱除去。この４過程サイクル中に、熱機関４２の第１の膜１８は完全な揺動を１回完了する。
【００２８】
サイクルの第１の過程、圧縮は図２Ａで表されている。初期サイクルの圧縮ストロークでは、圧電層３４（図１Ａ）全体に電圧を発生させるために、頂部および底部の電極２８および３６（図１Ａ）に接続された電気スイッチ（図示せず）が閉じられる。電圧が印加されることによって、圧電層３４（図１Ａ）、およびそれによって第１の膜１８が下向きに第２の膜の方へたわみ、それによって蒸気２２が圧縮される。作動流体６の全体の容積が少なくなるにつれて、作動流体６の圧力が高くなり、それに対応して温度が上昇する。圧縮過程の終了時に、電気スイッチが開かれ、それによって圧電層３４は、電圧が印加されていた間に電極２８および３６上に蓄積された電荷を保存するコンデンサになる。
【００２９】
第２の過程、高温熱付加では、伝導によって熱エネルギーを熱機関４２に伝達するために、（図２Ｂに示されているように）高温熱源４４が熱スイッチ４８を介して第１の膜１８に熱結合される。熱が作動流体６内に移動すると、作動流体６の液体部分２３の一部が蒸発し、それによって作動流体６の全体の容積が増え、第１の膜１８が上向きに変位する。第１の膜１８が上向きに変位すると、加えるられたひずみによって圧電層３４（図１Ａ）の双極子モーメントが増し、次にそれが電極２８および３６（図１Ａ）の開路電圧を増大させる。熱付加過程の終了時に、作動流体６の温度および圧力、ならびに電極２８および３６にわたる開路電圧は、その各作動サイクルの最大値に達する。
【００３０】
図２Ｃを参照すると、第３の過程、膨張および図２Ｂの熱源４４との結合部からの電力の産生が示されている。この過程では、電極２８および３６（図１Ａ）に蓄積されている電荷の除去を可能にするように前述の電気スイッチ（図示せず）が閉じられる。この結果生じた電流は電極から、たとえば電力調節器（図示せず）に流れ、そこでエネルギーを、微小電子デバイスまたはＭＥＭＳによって使用できる形態で得られるようにすることができる。電極２８および３６から電荷が排出されると、弾性率および結果として生じる圧電層３４（図１Ａ）のひずみがより高い開路値からより低い閉路値へ低下する。したがって、圧電層３４（図１Ａ）が弛緩し、そのため第１の膜１８は作動流体６の圧力下で上向きにたわむことができる。したがって、作動流体６の蒸気２２は、第１の膜１８が、図２Ｃに示されているようにその最大外側たわみ点に達するまで、圧力および温度が低下するにつれて膨張する。
【００３１】
第４の過程、低温熱除去では、伝導によって熱機関４２から熱エネルギーを除去するために、（図２Ｄに示されているように）低温放熱器４６が熱スイッチ５０を介して第２の膜１６に熱結合される。熱機関４２から熱が除去されるにつれて、蒸気２２の一部が凝縮し、それが作動流体６の容積を減少させる。作動流体６の容積がこのように減少すると、第１の膜１８の戻りたわみが起こり、かつそれに対応して圧電層３４（図１Ａ）のひずみが減少する。低温熱除去過程は電気スイッチが閉じて外部電圧が印加されずに起こるため、圧電層３４は短絡する。その結果、圧電層（図１Ａ）に電荷を蓄積することはできず、圧電層３４（図１Ａ）の弾性率がそのより高い開路値に戻り、第１の膜１８が図２Ａのその内側たわみ位置に戻るのを助ける。熱除去過程に続いて、再び圧縮過程から熱力学的サイクルが繰り返される。
【００３２】
圧電層３４の機械−電気変換の効率は、第１の膜１８の振動周波数がその共振機械周波数にどれだけ近づくかに強く依存すると考えられる。これは、電気エネルギーに変換されるのが、圧電層３４内にひずみとして伝達される機械エネルギーの一部（約１０分の１）だけであるためである（機械エネルギーの残りの部分はばねエネルギーとして蓄積される）。したがって、熱機関４２を第１の膜１８の共振機械周波数またはそれに近い周波数で動作させた場合、電気エネルギーに変換されずばねエネルギーとして保存された機械エネルギーを後でサイクル中に再利用することができる。特に、この保存されたばねエネルギーを、初期サイクルの後に続く作動流体の圧縮（過程１、図２Ａ）を実現するために用いることができる。ひずみエネルギーをこのように回復すると、外部電源から電流を引き込むことなしに圧縮が行われるため、機関効率が実質的に高くなる。逆に、共振周波数に等しくない振動周波数で動作すると、この保存されたばねエネルギーの一部またはすべてが失われると共に、その後機関効率が失われると考えられる。
【００３３】
熱エネルギーは外部熱源から熱機関４２に伝達されるため、熱機関４２は、大規模な外燃機関の熱機関と同様の方法で動作する。しかし、従来の大規模な外燃機関とは異なり、作動流体が熱機関４２から別個の熱交換機まで循環することはない。その代わり、熱は伝導によって第２および第１の膜１６、１８を通して熱機関の内部および外部に交互に伝達され、一方作動流体は熱機関４２の内側に残る。基本的に、熱機関４２はそれ自体の熱交換機として機能し、これはマイクロスケール・レベルで実現できる大きな表面積−体積比によるものである。したがって、微小熱機関４２がすべての熱機関機能を自立セル状構造に一体化することが明らかなはずである。このような設計上の解決策は大規模な機関では不可能であると考えられる。
【００３４】
ある種の用途に対する所要電力を供給するには単一の熱機関４２で十分であるが、電力出力を増すには複数の熱機関を並列接続することができる。たとえば、所定の循環周波数で動作する１つの熱機関が１ミリワットを発生する場合、並列接続され、かつ同じ周波数で動作する１０個の熱機関は１０ミリワットを発生する。そのため、熱機関の数を変えることによって１ミリワットから数ワットまたはそれを超えるどの電力でも発生するように動作できる電源を提供することが可能である。
【００３５】
たとえば、図５を参照すると、各レベルがそれ自体の温度差分にわたって動作する縦続レベルのシステムを形成するように、互いに対して上位に積み重ねられた第１および第２の各基板７４、７６の対７２（たとえば、シリコン・ウェハの対）を含む装置７０が示されている。同一の熱機関４２のアレイが、第１および第２の基板７４および７６の各対７２の中に微小機械加工され、各基板対間に中間層８０（たとえば、フォトレジスト材料の層）が配置される。この配置では、各熱機関４２は隣接するレベルの他の熱機関４２と整列され、空気の絶縁層が介在する。各熱機関４２は、圧電ユニット（すなわち、２つの電極間に配置された圧電層）を有する可とう性の第１の膜１８および実質的に硬い第２の膜１６を含む。熱機関４２の第２の膜１６上に熱スイッチまたは接点７８を位置付けることができる。
【００３６】
縦続内の最高温度範囲で動作するレベルの第２の膜１６（図５では基板７４および７６の最上対７２として示されている）に隣接して、高温熱源８２が位置付けられている。高温熱源８２は、隣接する第２の膜１６に周期的に熱接触するように動作することができる。熱接点７８は、隣接する第２の膜１６に接触するように高温熱源８２上に配置することができる。同様に、最低温度範囲で動作するレベルの第１の膜１８（図５では基板７４および７６の最下対７２として示されている）に隣接して、低温放熱器８４が位置付けられている。低温放熱器８４は、隣接する第１の膜１８に周期的に熱接触するように動作することができ、高温熱源８２と同様に低温放熱器は熱接点７８を含んでよい。したがって、熱エネルギーは、矢印８６で示されている方向に、装置７０中を通って伝導する。
【００３７】
図５で、装置７０は、熱機関４２の各熱力学的サイクルが同期するように動作させられる。すなわち、特定のレベルの各熱機関４２は、熱力学的サイクルの同じサイクルを同時に受ける。しかし、各レベルは隣接するレベルに対して１８０°ずれた位相で動作する。たとえば、あるレベルの熱機関４２が熱付加過程を受けると、隣接するレベルの熱機関４２は熱除去過程を受ける。したがって、各熱機関４２の第１の膜１８は、より低い温度範囲の隣接するレベルにおける熱機関４２の高温熱付加過程（過程２）用の高温熱源として働く。同様に、各熱機関４２の第２の膜１６は、より高い温度範囲の隣接するレベルにおける熱機関４２の低温熱除去過程（過程４）用の低温放熱器として働く。熱スイッチ７８は、第１の膜１８からより低い温度範囲の隣接するレベルにおける、それぞれの第２の膜１６への熱エネルギーの伝導を容易にするように、第２の膜１６上に位置付けられている。
【００３８】
縦続配置を使用すると、圧電部材で実現できる膨張および圧縮比が制限されるため、各熱機関４２の温度差分が比較的小さくなるので有利である。したがって、熱機関４２の縦続を構成することによって、任意の広い温度範囲にわたって動作する電源を提供することが可能である。縦続配置での動作は、特定のレベルの圧力および温度範囲に最も適切な作動流体６を選択することが可能になる点でも望ましい。
【００３９】
熱機関４２を介した熱の十分な伝達を確実にするため、熱機関４２の寸法は、必ずしも必要ではないが、望ましくは、熱伝達面積を最大にし、かつ伝導経路長を最小限にするために小さな縦横比（すなわち、小さな厚み−幅比）を提供する。十分に小さな適切な縦横比は、熱機関がそれぞれ約５ミクロンまたはそれ未満の厚みを有する第１および第２の膜を有することによって、得ることができる。機関キャビティ８の厚み、すなわち、膜１６、１８間の距離は望ましくは約５０ミクロンまたはそれ未満である。このため、機関キャビティ８内の作動流体は薄い層の形態になると考えられる。これに対して、膜の長さは、望ましくはその厚みよりも相対的に大きく、より大きな膜または小さな膜を使用することができるが、たとえば１ｍｍから５ｍｍの間である。
【００４０】
実施例
微小熱機関４２の一例では、第１の膜１８の厚みは約２ミクロンであり、第２の膜１６の厚みは約５ミクロンであり、機関キャビティの厚みは約２５ミクロンである。したがって、熱機関を通る伝導経路の全長は約３２ミクロンである。第２および第１の膜の表面の寸法は約２．０ミリメートル×２．０ミリメートルであり、このため、各膜において縦横比は約０．１６０、熱伝達面積は４．０ｍｍ２になる。前述の寸法によって、作動流体の単位容積当たりの最大表面積と、熱機関を通して熱を伝導できるほど短い伝導経路が確保されることが見出されている。第１の部材１８のシリコン層２４および酸化シリコン層２６の厚みはそれぞれ、約６００ｎｍおよび４００ｎｍである。頂部の電極１８は、厚さ２０ｎｍのＴｉ層と厚さ２００ｎｍの薄いＰｔ層とを含む。圧電部材３４は、厚さ５００ｎｍのＰＺＴ層を含む。底部の電極は厚さ２００ｎｍのＡｕ層を含む。作動流体はＲ１１である。
【００４１】
もちろん、当業者は前述の寸法（および本明細書に記載された他の寸法）が本発明のある局面を示すために与えられており、本発明の局面を制限するものではないことを認識すると考えられる。これらの寸法は、様々な用途または状況で必要に応じて修正することができる。
【００４２】
微小熱ポンプ
図２Ａ〜２Ｄに示されている熱機関４２の動作サイクルを逆にすることによって、熱機関を微小熱ポンプまたは冷蔵庫として使用することができる。次に図３を参照すると、低温熱源６２と高温放熱器６４との間で動作する、図１のマイクロトランスデューサ１０と同じ概略的な構成を有する熱ポンプ６０が示されている。図示の態様では、高温放熱器６４は、第２の膜１６を高温放熱器６４に周期的に熱結合する熱スイッチ６８を含む。同様に、低温熱源６２は、第１の膜１８を低温熱源６２に周期的に熱結合する熱スイッチ６６を有する。
【００４３】
熱ポンプ６０の作動サイクルには、伝導によって熱エネルギーが低温熱源６２から熱ポンプ６０内に伝達される。作動流体６の蒸気２２を圧縮することによって、低温熱エネルギーが高温熱エネルギーに変換され、高温熱エネルギーは次いで伝導によって熱ポンプ６０から高温放熱器６４に伝達される。熱ポンプ６０の熱力学的サイクルは、理想的なカロニー蒸気サイクルの逆の順序に従って、４つの過程、すなわち、（１）圧縮、（２）高温熱除去、（３）膨張、および（４）低温熱吸収を特徴とする。熱機関４２と同様に、熱ポンプ６０の第１の膜１８はサイクル中に１回の完全な揺動を完了する。
【００４４】
第１の過程、すなわち圧縮の開始時に、熱ポンプ・キャビティの容積はその最大容積点にあり、第１の膜１８は最大外側たわみ点にある。圧縮は、頂部および底部の電極２８および３６（図１Ａ）に接続された電気スイッチ（図示せず）を閉じて圧電層３４（図１Ａ）の両端間に電圧を発生させることによって行われる。電圧が印加されると、圧電層３４が作動装置として機能し、第１の膜１８を下向きに第２の膜１６の方へたわませ、それによって蒸気２２を圧縮する。作動流体６の全体的な容積が少なくなるにつれて、作動流体６の圧力が低下し、それに対応して温度が低下する。圧縮過程の終了時に、電気スイッチが開かれ、それによって圧電層３４がコンデンサになり、電圧が印加された間に電極上に蓄積された電荷を保存する。
【００４５】
第２の過程、すなわち高温熱除去では、伝導によって熱ポンプ６０から熱エネルギーを除去するために、高温放熱器６４が熱スイッチ６８を介して第２の膜１６に熱結合される。熱ポンプ６０から熱が除去されるにつれて、蒸気２２の一部が凝縮し、作動流体６の容積が少なくなる。しかし、作動流体６は液体と蒸気の飽和混合物であるため、作動流体６の温度および圧力は一定のままである。作動流体６の容積が少なくなることによって、第１の膜１８はさらに第２の膜１６の方へたわむことができる。この過程は電気スイッチを開いた状態で行われるため、第１の膜１８が内側にたわむにつれて、圧電層３４の双極子モーメント、したがって電極２８および３６の開路電圧が低下する。
【００４６】
第３の過程、すなわち膨張ではまず、作動流体６がその最小可能容積まで圧縮され、第１の膜１８はその最大内側たわみ点にある。膨張過程を開始する場合、電極２８および３６に保存されている電荷を除去できるように電気スイッチが閉じられる。電極２８および３６から電荷が排出されるにつれて、弾性率および結果として生じる圧電層３４のひずみが比較的高い開路値から比較的低い閉路値へ低下する。したがって、圧電層３４が解放され、第１の膜１８は作動流体６の圧力の下で上向きにたわむことができる。したがって作動流体６は、第１の膜１８がその中立点、すなわち零たわみ点に達するまで、圧力および温度の低下と共に膨張する。
【００４７】
従来の大規模な熱ポンプ、たとえば絞り弁を利用して、仕事をせずに等エントロピー過程において作動流体を膨張させる蒸気圧縮・吸着機とは異なり、微小熱ポンプ６０は膨張過程時に、電極２８、３６から流れる電流の形態の仕事を行う。微小熱ポンプ６０は、仕事を抽出することによって、実質的な等エントロピー過程で作動流体６を膨張させる。これは２つの理由で有意義である。第１に、等エントロピー過程で仕事を抽出すると、内部エネルギーおよび作動流体６の温度が等エントロピー絞り過程の場合よりも低下する。このため、冷却が向上する。第２に、第１の過程で作動流体６を圧縮するのに必要な電力を、膨張時に発生した電流を用いて相殺する場合に、サイクルの効率を向上させることができる。
【００４８】
第４の過程、すなわち低温熱吸収では、伝導によって熱エネルギーを熱ポンプ６０に伝達するために、低温熱源６２が熱スイッチ６６を介して第１の膜１８に熱結合される。熱が作動流体内に移動するにつれて、作動流体の液体部分２３の一部が蒸発し、それによって作動流体６の容積が増す。これによって、第１の膜１８の上方への変位が起こり、電流が電極２８および３６から流れる。熱除去過程（過程２）と同様に、作動流体６は液体と蒸気の飽和混合物であるため温度および圧力は一定のままである。熱吸収過程に続いて、再び圧縮過程から熱力学的サイクルが繰り返される。
【００４９】
本発明の熱機関４２と同様に、熱ポンプ６０はすべての熱ポンプ機能を自立セル状構造に組み込んでいる。さらに、図５の縦続熱機関４２のシステムと同様に、単一の熱ポンプのみを用いて得られる冷却率および温度差分を超える、冷却率および温度差分が得られるように、縦続レベルのシステムを構成することによって複数の熱ポンプ６０を同様に配置することができる。一例として、単一の熱ポンプ６０が低温空間を１０℃冷却する場合、縦続アレイ状に積み重ねられた１０個の同様な熱ポンプ６０は、縦続の最下低温空間を１００℃冷却することができる。さらに、単一の熱ポンプ６０が低温空間から０．１Ｗの熱電力を伝達する場合、並列に配置された１０個の熱ポンプ６０は同じ低温空間から１．０Ｗの熱電力を伝達することができる。
【００５０】
熱機関４２に関して提案した寸法を熱ポンプ６０に使用することもできる。この場合も、熱ポンプ内に適切な熱伝達領域が存在するように、低縦横比をもたらす寸法が望ましい。
【００５１】
微小熱機関および微小熱ポンプの製造方法
微小製造技法を用いて、一対のシリコン・ウェハからマイクロトランスデューサのアレイを作製することができる。図４を参照すると、各シリコン・ウェハが（００１）結晶方向であり、かつ両面を研磨された一対のシリコン・ウェハのうちの第１のウェハ８８は、マイクロトランスデューサ１０のアレイのうちの第１の膜１８を形成するように提供されている。まず、ウェハ８８の両側で熱酸化物を成長させる。次いで、それぞれが＜１００＞方向に向けられた方形のパターンを、たとえば、第１のウェハの裏面で従来のリソグラフィを用いて形成する。次いで、ウェット化学エッチングを介して酸化物を除去し、シリコンの｛１１１｝面ではなく｛００１｝面を優先的に除去する、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）などの異方性エッチング液に第１のウェハ８８を浸ける。エッチングにより、酸化物が除去された場所に複数のピット９０が形成される。各ピット９０の底部におけるシリコンの残りが約５０ミクロンになったときに、第１のウェハ８８をエッチング液から取り出す。次いで、物理的蒸着を用いて非エッチング酸化物側に厚さ２０ｎｍのチタン層を堆積させ、物理的蒸着を用いて厚さ２００ｎｍの白金層をチタン層上に作製する。チタン層および白金層は、ウェハに形成される各トランスデューサ１０の頂部の電極２８を形成する。
【００５２】
各マイクロトランスデューサ１０の圧電層３４を形成するために、ＰＺＴ堆積用の溶液堆積経路を第１のウェハ８８上で実施する。まず、ペロブスカイト相を形成するのに必要な化学量比のＰｂ、Ｚｒ、およびＴｉを含む溶液を、白金層上にスピンコーティング（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔ）する。次いで、第１の層８８を空気中で１００℃で５分間加熱し、３５０℃で５分間加熱する。次いで、スピンコーティング・加熱過程を、ＰＺＴ層が約５００ｎｍになるまで繰り返し、その後、第１のウェハ８８を炉内で７００℃で１５分間加熱する。スピンコーティング段階と、ウェハ８８を空気中で１００℃で５分間加熱し、３５０℃で５分間加熱する段階とを、圧電層３４の最終的な厚み、望ましくは約５００ｎｍが得られるまで繰り返す。圧電層３４の最終的な厚みが得られた後、第１のウェハを再び炉内で７００℃で１５分間加熱する。
【００５３】
マイクロトランスデューサ１０の底部の電極３６を形成するため、物理的蒸着によってＰＺＴ表面上に厚さ２００ｎｍの金層を堆積させる。次いで、第１のウェハ８８を他の異方性エッチング液に浸け、各ピット９０の底部にある残りの５０ミクロンのシリコンを、所望のシリコン層の厚み（たとえば、１ミクロンから１０ミクロンの間）が残るまで除去する。
【００５４】
マイクロトランスデューサ１０の第２の膜１６を形成するため、第２のウェハ（図示せず）の裏面に方形のピットのアレイを加工する。この場合、第２のウェハ上のアレイは第１のウェハ８８上のピット９０のアレイに対応する。各ピットの低部に残るシリコンが約３０ミクロンになるまで、第２のウェハに対して加工を継続する。流体キャビティ８の側壁２０を形成する場合、第２のウェハの表面にＳＵ−８などのフォトレジスト材料層をスピンコーティングする。各マイクロトランスデューサ１０のキャビティの厚さは、好ましくは約５０ミクロンであり、第２のウェハに付加されるフォトレジスト層の厚みによって定められる。次いで、第１の膜１８および第２の膜１６を形成する方形にフットプリントが等しい方形パターンを、フォトリソグラフィを用いてフォトレジスト材料上に形成する。フォトレジスト層のマスクされていない部分を深さが５０ミクロンになるようにエッチングして、流体キャビティ８を形成する。キャビティ８を形成した後、少量の作動流体を付加し、たとえばシリンジ・ディスペンサを用いてキャビティをエッチングする。次いで、第１のウェハ８８を、その表面を下向きにして、第２のウェハの表面に堆積させたＳＵ−８フォトレジストに、両方のウェハ上の方形のキャビティが互いに整列するように接触させる。最後に、第１のウェハと第２のウェハを固定して同一のマイクロトランスデューサのアレイを形成する。必要に応じて、少数のトランスデューサを用いて満たすことのできる電力要件または冷却要件を有する用途では、個々のトランスデューサをウェハから分離してよい。
【００５５】
運動圧電マイクロトランスデューサ
本発明の他の局面によれば、圧電マイクロトランスデューサを用いて、移動体から運動エネルギーを得、運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換することができる。図６および７は、移動体からの運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する、一態様によるマイクロトランスデューサ１００を示している。マイクロトランスデューサ１００は、シリコンまたは他の同等な材料を含む本体１０２を含む。図６に示されているように、本体１０２は方形の形状を有する。ただし、本体１０２は矩形、円形、または他の様々な形状のいずれかであってよい。本体１０２の周辺部１１６に囲まれた可とう性の支持層１０４を形成するように、本体１０２に凹部が形成されている。本体１０２は、マイクロトランスデューサ１００の共振機械周波数を減少させる働きをする、中央に位置する質量１０６を含んでよい。この質量の重要性については以下に詳しく説明する。図７に示されているように、圧電ユニット１０８は支持層１０４によって保持されるか、または他の方法で支持層１０４に取り付けられている。圧電ユニット１０８は、第１の電極１１２と第２の電極１１４との間に配置された圧電層１１０を含む。
【００５６】
支持層１０４と圧電ユニット１０８は共に可とう性の膜１１９を規定し、本体１０２の周辺部１１６は、可とう性の膜１１９を支持する支持構造として働く。可とう性の膜１１９は（図７に双頭矢印１１８で示すように）周辺部１１６に対して上向きおよび下向きにたわむことができる。他の構成では、可とう性の膜１１９は支持層を含まず、その代わりに圧電ユニットが隣接する支持構造に結合される。
【００５７】
いずれにせよ、移動体上にマイクロトランスデューサ１００を載せると常に、本体の揺動によって可とう性の膜１１９が上向きおよび下向きにたわむ。圧電層１０４にひずみが加えられることによって圧電ユニット１０８の両端間に電圧が発生する。圧電ユニット１０８によって生成された電荷を伝導するために、第１および第２の電極１１２および１１４には電気リード線（図示せず）が接続されている。電荷はたとえば、ＭＥＭＳデバイスに電力を供給したり、電池に再充電したりするのに用いることができる。このように、マイクロトランスデューサ１００は、移動体からの運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する際に圧電発電機として機能する。
【００５８】
ある用途では、たとえばマイクロトランスデューサ１００が車両に取り付けられる。車両の振動（車両の機関の振動）により、電気エネルギーを発生させるための、マイクロトランスデューサ１００の可とう性の膜１１９のたわみが生じる。他の用途では、マイクロトランスデューサ１００が、ジョギングまたはウォーキングを行う人が携帯する携帯ラジオなどの携帯電気デバイスに組み込まれる。この用途では、ラジオを携帯する人の移動により、ラジオに電力を供給したり電池に再充電したりするのに用いることのできる電気エネルギーを発生させるための、マイクロトランスデューサ１００の振動が起こる。
【００５９】
望ましくは、マイクロトランスデューサ１００は、可とう性の膜１１９の変位を最大にし、それにより圧電ユニットによって生成される電圧を最高にするように、移動体の揺動の周波数に等しい機械的共振周波数を有するように構成される。したがって、マイクロトランスデューサ１００の共振周波数は、マイクロトランスデューサ１００が取り付けられる本体の振動周波数に応じて変化する。たとえば、可とう性の膜１１９の構成要素（すなわち、支持層１０４、圧電層１１０、第１の電極１１２、または第２の電極１１４のいずれか）の長さ、幅、または厚みを変えることによって、可とう性の膜１１９の構成要素の寸法を変えるか、または質量１０６のサイズを変えることにより、移動体の周波数に一致するマイクロトランスデューサ１００の共振周波数を得ることができる。可とう性の膜１１９の長さ、幅、または厚みを大きくするか、または質量１０６のサイズを大きくすると、それに対応して共振周波数が低くなる。逆に、可とう性の膜１１９の長さ、幅、または厚みを小さくするか、または質量１０６のサイズを小さくすると、それに対応して共振周波数が高くなる。
【００６０】
移動体の周波数が比較的低く、たとえば約１Ｈｚから１０００Ｈｚの範囲である用途では、マイクロトランスデューサの共振周波数を移動体の周波数に一致するように著しく減少させなければならないことがある。したがって、図６および図７の質量１０６などの質量を可とう性の膜１１９に載せると、マイクロトランスデューサ１００の全体的なサイズを不当に大きくせずにより低い共振周波数を実現できるため有利である。さらに、質量１０６のサイズを変えて共振周波数を変えることによって、たいていの用途に使用できる標準サイズのマイクロトランスデューサ１００を作製することができる。
【００６１】
マイクロトランスデューサ１００の寸法は変更しうる。マイクロトランスデューサ１００の膜１１９の長さは望ましくは約１ｍｍから５ｍｍである。マイクロトランスデューサ１００の形状が円形である場合、膜の直径は望ましくは約１ｍｍから５ｍｍである。圧電層１１０の厚みは望ましくは約０．５ミクロンから３０ミクロンである。第１および第２の電極１１２、１１４の各電極の厚みは望ましくは１ミクロン未満である。支持層１０４の厚みは約０．５ミクロンから約３０ミクロンの範囲であってよいが、望ましくはそれが支持する圧電層１１０の厚み未満である。
【００６２】
図８および図９は、移動体からの運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する他の態様による、カンチレバー型マイクロトランスデューサ１２０を示している。マイクロトランスデューサ１２０は、シリコンのような任意の適切な材料を含む本体１２２を含む。支持層用の支持構造として働く本体１０２の周辺部１２６（図９に最も良く示されている）に囲まれた可とう性の支持層１２４を形成するように、本体１２２に凹部が形成されている。支持層１２４は、支持層１２４の自由端１４０が周辺部１２６に対して上向きおよび下向きにたわむことができるように、一端を除いて隙間１２８によって周辺部１２６から分離されている。支持層１２４と支持層１２４によって保持される圧電ユニット１３０は共に、可とう性のカンチレバー１４２を規定する。他の構成では、圧電ユニット１３０用の支持層は提供されず、圧電ユニット１３０の固定末端（すなわち、自由端１４０の反対側の末端）は隣接する支持構造に結合される。
【００６３】
圧電ユニット１３０は、図７の圧電ユニット１０８と同様に、第１の電極１３４と第２の電極１３６との間に配置された圧電層１３２を含む。マイクロトランスデューサ１２０の共振周波数を減少させるか、または他の方法で変えるために、可とう性のカンチレバー１４２の自由端の近くに質量１３８を配置することができる。図示の態様では、たとえば、質量１３８は、支持層１２４と一体であり、支持層１２４と同じ材料を含む。
【００６４】
図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０は、図６および図７のマイクロトランスデューサ１００と同様に機能する。したがって、マイクロトランスデューサ１２０が移動体上に載せられると、移動体の振動または揺動によって、カンチレバー１４２の自由端１４０が周辺部１２６に対して上向きおよび下向きにたわみ、それによって圧電ユニット１３０の両端間に電圧が発生する。
【００６５】
マイクロトランスデューサ１２０の寸法は変更しうる。カンチレバー１４２の長さは望ましくは約１ｍｍから５ｍｍであり、カンチレバーの幅は望ましくは約１０ミクロンから１００ミクロンである。圧電層１３２の厚みは望ましくは約０．５ミクロンから３０ミクロンである。第１および第２の電極１３４、１３６の各電極の厚みは望ましくは１ミクロン未満である。支持層１２４の厚みは約０．５ミクロンから約３０ミクロンの範囲であってよいが、望ましくは支持層１２４が支持する圧電層１３２の厚み未満である。
【００６６】
マイクロトランスデューサの大部分の用途のエネルギー要件では、単一のマイクロトランスデューサによって与えることのできる電気エネルギーよりも多くの電気エネルギーが必要である。したがって、他の態様では、図６および図７のマイクロトランスデューサ１００、または図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０と同じ概略的な構成を有する複数の同様なマイクロトランスデューサが、単一の基板上に形成される。他の態様では、電気エネルギーを生成する装置は、互いに積み重ねられた複数のマイクロトランスデューサが各基板上に形成された複数の基板を含む。
【００６７】
図６および図７のマイクロトランスデューサ１００と図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０を用いて、流体流から機械的な仕事を抽出することができる。図１０を参照すると、図１０のマイクロトランスデューサが、予め加圧された可とう性のカンチレバーを有することを除いて、図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０と同様の構成を有するカンチレバー型マイクロトランスデューサ１５０が示されている。図示のように、プレストレスによって、カンチレバー１５２は下向きに、マイクロトランスデューサ１５０の本体１２２によって形成される水平面から離れる方向に湾曲している。たとえば、張力をかけられた層を可とう性のカンチレバー１５２の頂部に付加するか、または圧縮された層を可とう性のカンチレバー１５２の底部に付加することによって、可とう性のカンチレバー１５２に予め加圧する。張力をかけられるかまたは圧縮されたプレストレス層は、可とう性のカンチレバーの既存の層であっても、可とう性のカンチレバー１５２の頂部または底部に付加された追加の層（図示せず）であってもよい。このような追加の層は、たとえば物理的蒸着によって堆積されたタングステン被膜を含んでよい。スパッタリング時の堆積圧力は、所望の応力レベルが得られるように変えることができる。
【００６８】
マイクロトランスデューサ１５０の底部から間隔を置いて配置された第１の障壁部材１５６と、マイクロトランスデューサ１５０の頂部上に位置する第２の障壁部材１５８との間に流体溝１５４が規定されている。加圧された流体１６４は、カンチレバー１５２を上向きにたわませるようにカンチレバー１５２の下方の表面に当たるように、流体溝１５４を通って、矢印１６０で示された方向に流れる。カンチレバー１５２が流体流の方向１６０に実質的に非平行であるため、加圧された流体１６４によるカンチレバー１５２のたわみは最大になる。加圧された流体１６４の流れを遮ると、カンチレバー１５２はそのたわむ前の位置に戻ることができる。したがって、圧電ユニット１３０の両端間に電圧を発生させるために、双頭矢印１６２で示されているようにカンチレバー１５２に上向きおよび下向きに連続的にたわませるには、たとえばマイクロトランスデューサ１５０の上流で弁を開閉することにより、加圧された流体にパルスを加えることができる。望ましくは、マイクロトランスデューサ１５０によって生成される電気エネルギーが最大になるようにマイクロトランスデューサ１５０の共振周波数に等しい周波数のパルスが流体に加えられる。
【００６９】
他の態様では、図１０に示されているように、カンチレバー１５２にはプレストレスがかけられない。したがって、他の態様では、カンチレバー１５２は流体流の方向に対して実質的に平行である。しかし、この構成は、加圧された流体によって起こるカンチレバーの変位の範囲が図１０のカンチレバー１５２の変位よりも小さいため、それほど望ましくない。他の態様では、図１０の態様におけるカンチレバー型のマイクロトランスデューサ１５０の代わりに、図６および図７に示されているような膜型のマイクロトランスデューサが使用される。この膜には、流体流の方向に実質的に非平行な方向に湾曲するようにプレストレスをかけることができる。この構成では、予め加圧された層を膜に付加することによって、膜の中央部が、膜を囲むマイクロトランスデューサの周辺部から外側に広がる。
【００７０】
図１１および図１２は、各々が図１０に示されているマイクロトランスデューサ１５０と同じ概略的な構成を有する複数のカンチレバー型マイクロトランスデューサ１７６を含む装置１７０を示している。装置１７０は、第２の基板１７４から間隔を置いて配置された第１の基板１７２を含んでおり、各基板にはマイクロトランスデューサ１７６のアレイが形成されている。図１２に示されているように、第１の基板１７２と第２の基板１７４との間に流路１８２が形成されるように、第１の基板１７２に第１の障壁部材１７８が並置され、第２の基板１７４に第２の障壁部材１８０が並置されている。各マイクロトランスデューサ１７６のカンチレバー１８４には、それぞれの基板１７２、１７４の平面から離れる方向に流路１８２内へ湾曲するようにプレストレスがかけられている。振動する加圧された流体流が、流路１８２を通って、矢印１８８で示された方向に流れる。流体パルスは、流路１８２内を通るときに、マイクロトランスデューサ１７６のカンチレバー１８４に当たり、向かい合う基板上の下流のマイクロトランスデューサの他のカンチレバーの方へ方向を変えられる。このように、流体パルスは流路１８２を通過し、それぞれ第１および第２の基板１７２、１７４上のカンチレバーを交互に励起する。流路１８２を通過する加圧された流体が連続的に振動することによって、カンチレバー１８４が揺動し、それによってそれぞれの圧電ユニット１３０の両端間に電圧が発生する。
【００７１】
次に図１３Ａを参照すると、従来のハーモニカまたは同様のリード楽器に存在する自由振動リードと同様に、マイクロトランスデューサの表面を横切って定常流体流が流れているときは常に自由に振動または揺動するように構成された、マイクロトランスデューサ２００が示されている。図示の形態のマイクロトランスデューサ２００は、可とう性のカンチレバー２０４が形成された第１の主層２０２を含む。カンチレバー２０４の下方の表面に圧電ユニット２０６が取り付けられている。第１の主層２０２の下方の表面に第２の主層２０８が並置され、第２の主層２０８の下方の表面に第１の障壁部材２１０が並置されている。第２の主層２０８に形成された開口部２１２、第１の主層２０２および圧電ユニット２０６の下方の表面、ならびに第１の障壁部材２１０の上方の表面によって、下方の流体チャンバ２１４が規定されている。下方の流体チャンバ２１４は流体入口２２４を含む。第１の主層２０２の上方の表面に第２の障壁部材２１６が並置されている。第２の障壁部材２１６とカンチレバー２０４の上方の表面との間に、上方の流体チャンバ２１６が規定されている。第２の障壁部材２１６の凹部２２０と第１の主層２０２との間に上方の流体チャンバの流体出口２２２が規定されている。
【００７２】
カンチレバー２０４が図１３Ａに示されているようにその中立位置にあるとき、カンチレバー２０４の自由端は、下方の流体チャンバ２１４を上方の流体チャンバ２１８から事実上流体切断するように、第１の主層２０２の垂直の表面２２６に最も近づく。図１３Ｂに示されているように、流体入口２２４を通して下方の流体チャンバ２１４に定常流体が導入されると、最初はカンチレバー２０４の自由端が上方に第２の障壁部材２１６の方へたわみ、矢印２２８で示されているように、流体が上方の流体チャンバ２１８に流入するのを可能にする。次いで、カンチレバー２０４のばねエネルギーによって、カンチレバー２０４はその中立位置を経て下向きにたわみ、その点で上方のチャンバ２１８への流体流が一時的に遮られる。図１３Ｃに示されているように、カンチレバー２０４が下向きにその中立位置を越えてたわむと、流体は矢印２２８で示されているように、再び上方の流体チャンバ２１８に流入することができる。このように、カンチレバー２０４は、図１３Ｂに示されている上方にたわんだ位置と図１３Ｃに示されている下方にたわんだ位置との間で連続的に揺動し、流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００７３】
図１４を参照すると、装置３００は、直列に配置された複数の自由振動カンチレバーを含む。図示のように、第１のカンチレバー３０２が第１の層３０４内に形成され、第２のカンチレバー３０６が第２の層３０８内に形成され、第３のカンチレバー３１０が第３の層３１２内に形成され、第４のカンチレバー３１４が第２の層３１６内に形成され、第５のカンチレバー３１８が第５の層３２０内に形成されている。各カンチレバー３０２、３０６、３１０、３１４、および３１８上に圧電ユニット３２２が取り付けられている。第２の層３０８と第３の層３１２との間にスペーサ層３２４が挿入され、第４の層３１６と第５の層３２０との間にスペーサ層３２６が挿入されている。第１の層に隣接して位置する第１の末端層３２８は流体入口３３０を形成し、第５の層に隣接して位置する第２の末端層３３２は流体出口３３４を規定している。装置３００の各層間に複数の流体チャンバ３３６が規定されている。定常流体が、第１のチャンバ３３６を通って、矢印３３８で示されている方向に流れると、カンチレバー３０２、３０６、３１０、３１４、および３１８は、カンチレバーがそれぞれの中立位置から第１の方向に変位させられる第１の位置と、カンチレバーがそれぞれの中立位置から第２の方向に変位させられる第２の位置との間で、連続的に揺動する。
【００７４】
微小内燃機関
本発明の他の局面によれば、圧電マイクロトランスデューサは、燃料および酸化剤の周期的な燃焼によって発生する、周期的な圧力パルスの機械的な仕事を抽出することによって、内燃機関と同様に動作する。図１５Ａを参照すると、第１の主層４０２および第２の主層４０４を含むマイクロトランスデューサ４００が示されている。第１の主層４０２の凹部は、周辺部４１０に囲まれた支持層４０２を形成している。支持層４０６は圧電ユニット４０８を支持し、支持層４０６と圧電ユニット４０８とで可とう性の膜４１６を形成している。この構成では、圧電ユニット４０８は、周辺部４１０の外側の側壁間に連続的に延びるように示されている。他の態様では、圧電層４０８は、（図７に示されているように）周辺部４１０の内側の壁間に延びることができる。
【００７５】
圧電ユニット３０８の下方の表面と第２の主層４０４の隣接する表面に形成された凹部との間に、流体キャビティ４１２が規定されている。燃料と酸化剤（たとえば、空気）の混合物が流体キャビティ４１２を満たすのを可能にするように、１つまたは複数の流路４１４が第２の主層４０４を通って延びている。一般に、任意の揮発性で軽量の燃料を使用することができる。このような燃料の例には、ブタン、プロパン、エタノール、メタノールなどが制限なしに含まれる。
【００７６】
燃料と酸化剤の混合物を流体キャビティ４１２内で燃焼させると、（図１５Ｂに示されているように）可とう性の膜４１６が第２の層４０４から外側にたわむ。次いで、可とう性の膜のばねエネルギーが可とう性の膜４１６を押し、（図１５Ｃに示されているように）内側に第２の層４０４の方へたわませる。流体キャビティ４１２内の燃料と酸化剤の燃焼によって流体キャビティ４１２内で周期的な圧力パルスを発生させることにより、可とう性の膜４１６は、図１５Ｂに示されている外側にたわむ位置と図１５Ｃに示されている内側にたわむ位置との間で揺動し、それによって圧力ユニット４０８の両端間に電圧を発生させる。
【００７７】
図１６Ａおよび１６Ｂは、微小内燃機関として使用されるように構成された、他の態様によるマイクロトランスデューサ５００を示している。マイクロトランスデューサ５００は第１の主層５０２を含む。圧電カンチレバー５０３は、第１の主層５０２に形成されたカンチレバー式支持層５０６と、支持層５０６に結合された圧電ユニット５０８とを含む。支持層５０６と第１の障壁部材５１０との間に上方の流体チャンバ５１２を規定するように、第１の主層５０２上に第１の障壁部材５１０が位置している。開口部５１４を形成する第２の主層５０４が、第１の主層５０２の下方の表面に隣接して位置している。流体入口５２０を有する下方の流体チャンバ５１８を規定するように、第２の主層５０４の下方の表面に隣接して第２の障壁部材５１６が位置している。
【００７８】
動作時には、燃料と酸化剤の混合物が下方の流体チャンバ５１８から上方の流体チャンバ５１２に流入することによって、圧電カンチレバー５０３が上向きにたわみ、燃料と酸化剤の混合物が一時的に上方の流体チャンバ５１２に閉じ込められる。次いで、燃料と酸化剤の混合物が点火され、それによって、圧電カンチレバー５０３を押して下向きにたわませる圧力パルスが発生する。
【００７９】
微小ランキン・サイクル熱機関
本発明の他の態様によれば、従来の大規模なランキン・サイクル熱機関と同様に、使用可能な電気エネルギーが得られるように作動流体から仕事を抽出するために、１つまたは複数の圧電マイクロトランスデューサが用いられる。図１８は、一態様による、全体的に６００で示された微小ランキン・サイクル熱機関の外径略図である。ランキン・サイクルに基づく従来の大規模な機関は、機械的な仕事を生成する作動流体、および作動流体を加熱する燃料とを使用する。たとえば、従来の蒸気機関では、石炭などの化石燃料を燃焼させて作動流体、すなわち水蒸気を加熱している。しかし本態様では、単一の流体が熱機関６００の作動流体と燃料の両方として働く。作動流体／燃料は望ましくは、揮発性で軽量であり、蒸気圧の低い流体を含む。このような流体の例には、ブタン、プロパン、エタノール、メタノールなどが制限なしに含まれる。
【００８０】
熱機関６００は、作動流体／燃料を保存する槽６０２、ボイラ６０４、第１の過熱器６０６、第１の膨張器アレイ６０８、第２の過熱器６１０、第２の膨張器アレイ６１２、第３の過熱器アレイ６１４、第４の過熱器６１８、第４の膨張器アレイ６２０、および少なくとも１つの燃焼器６２２を含む。本態様の各膨張器アレイ６０８、６１２、６１６、６２０は、図１４の装置３００のような、自由振動カンチレバーを有する１つまたは複数の圧電マイクロトランスデューサを含む。
【００８１】
サイクルの開始時に、作動流体／燃料が槽６０２からボイラ６０４に流れ込み、そこで飽和蒸気になるまで加熱される。飽和蒸気はボイラ６０２から第１の過熱器６０６に流れ込み、さらに過熱状態になるまで加熱される。
【００８２】
過熱器６０６の下流で、過熱された蒸気は第１の膨張器アレイ６０８に流入する。第１の膨張器アレイ６０８は１つまたは複数の圧電マイクロトランスデューサ６２４を含む。各マイクロトランスデューサ６２４は、圧電ユニット（図示しないが上記に詳述）が取り付けられた自由振動カンチレバー６２６を含む。したがって、過熱された蒸気が第１の膨張器アレイ６０８を通って流れると、カンチレバー６２６は流体流中で前後にたわみ、それぞれの圧電ユニットの両端間に電圧を発生させる。作動流体／燃料の過熱された蒸気は、膨張器アレイ６０８を通って流れる際に膨張するため、蒸気の温度はその過熱時の温度から低下する。次いで、作動流体／燃料は第２の過熱器６１０内のその過熱時の温度まで再加熱され、その後過熱された蒸気は、第２の膨張器アレイ６１２を通って流れる際に再び膨張する。この膨張・再加熱過程は、蒸気が第３の過熱器６１４、第３の膨張器アレイ６１６、第４の過熱器６１８、および第４の膨張器アレイ６２０を通って流れる際にさらに２回繰り返される。
【００８３】
図１８の態様は４つの過熱器および４つの膨張器アレイを有するように示されているが、使用する過熱器および膨張器の数はこれよりも多くても少なくてもよい。望ましくは、作動流体／燃料は、その圧力低下によってさらなる再加熱および膨張が実際的なものでなくなるかまたは不可能になるまで、何度も再加熱され膨張させられる。
【００８４】
いずれにせよ、作動流体／燃料は、第４の膨張器アレイ６２０から出た後、燃焼器アレイ６２２に流れ込み、その時点で作動流体を燃料として使用することができる。各燃焼器６２２で、作動流体／燃料は酸化剤（たとえば、空気）と混合され点火されて、ボイラ６０４または過熱器６０６、６１０、６１４、もしくは６１８のうちの１つのいずれかを加熱する。
【００８５】
マイクロスケールで得られる作動流体／燃料の表面積・体積比が大きいため、膨張と再加熱を同時に行うことができる。たとえば、膨張器アレイは、膨張器を通って流れる作動流体／燃料が、隣接する燃焼器内で燃焼している作動流体／燃料によって同時に加熱されるように構成することができる。
【００８６】
他の形態の膨張器アレイ６０８、６１２、６１６、および６２０を使用してもよい。たとえば、図１１および図１２の装置１７０を各膨張器アレイに使用してよい。この構成では、作動流体／燃料で圧力パルスが発生するように各膨張器アレイの上流に弁を位置付けることができる。
【００８７】
本発明を、例示的な目的でのみ前述の態様に示した。本発明には、その趣旨または基本的な特徴から逸脱せずに多数の修正および変更を加えることができる。したがって、特許請求の範囲の趣旨および範囲内のすべてのそのような修正を本発明として請求する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様による圧電マイクロトランスデューサの拡大断面図である。
【図２Ａ〜２Ｄ】高温熱源と低温放熱器との間で動作するように示されている、図１のマイクロトランスデューサと同じ概略的な構成を有する圧電微小熱機関の熱力学的サイクルを示す図である。
【図３】低温熱源と高温放熱器との間で動作するように示されている、図１のマイクロトランスデューサと同じ概略的な構成を有する圧電微小熱ポンプの拡大断面図である。
【図４】圧電マイクロトランスデューサのアレイを作製するのに用いられる一対のウェハのうちの、マイクロトランスデューサの第１の膜を形成する複数の方形のピットを規定する、第１のウェハの裏面の平面図である。
【図５】各基板対に同一の圧電微小熱機関のアレイが形成された、重ね合わせられた第１の基板と第２の基板の対を含む、他の態様による装置の部分断面図である。
【図６】他の態様による可とう性膜型圧電マイクロトランスデューサの平面図である。
【図７】図６の線７−７に沿った、図６のマイクロトランスデューサの断面図である。
【図８】他の態様によるカンチレバー型圧電マイクロトランスデューサの平面図である。
【図９】図８の線９−９に沿った、図８のマイクロトランスデューサの断面図である。
【図１０】事前にカンチレバーに応力がかけられる、加圧された流体流からの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する他の態様による、カンチレバー型圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１１】事前に応力がかけられた複数のカンチレバー型圧電マイクロトランスデューサが形成された第１の基板を示すために、装置の頂部の障壁部材が除去されている、加圧された流体流からの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する他の態様による装置の平面図である。
【図１２】図１１の線１２−１２に沿った、図１１の装置の断面図である。
【図１３Ａ〜１３Ｃ】流体の定常流の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する自由振動圧電カンチレバーを含む、他の態様による圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１４】図１３Ａ〜１３Ｃのマイクロトランスデューサと同じ概略的な構成を有する複数の圧電マイクロトランスデューサを含む、他の態様による装置の断面図である。
【図１５Ａ〜１５Ｃ】微小内燃機関として使用できるように構成された、他の態様による圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１６Ａ〜１６Ｂ】微小内燃機関として使用できるように構成された、他の態様による圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１７】単一の流体が熱機関用の作動流体および燃料として働く、微小ランキン・サイクル熱機関の概略図である。
分野
本発明は概して、ある形態のエネルギーを他の形態のエネルギーに変換するのに用いることのできる圧電特性を有するマイクロトランスデューサに関する。
【０００２】
連邦認可
本発明は、国立科学財団から認可番号９９−８０−８３７の下での支援によって開発されたものである。
【０００３】
背景
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）および微小電子機器の小型電源の必要性は長い間認識されてきた。すでにマイクロスケール電池およびマイクロスケール熱機関に関する多大な研究がなされている。マイクロスケール熱機関は、それによって燃焼される炭化水素燃料によって非常に高密度にエネルギーが蓄積されるため、特に魅力的な選択肢である。したがって、炭化水素燃料として蓄積された化学エネルギーを機械エネルギーまたは電気エネルギーに変換できる微小熱機関は、非常に小型の電源の基礎を形成する。
【０００４】
微小熱機関を構築する試みでは、従来の大規模熱機関用のハードウェアがマイクロスケールで製造できるように再設計されている。今までのところ、このような試みはまだ開発段階であり、成功していない。
【０００５】
真の熱機関ではないが、熱駆動デバイスがマイクロスケールで構築されている。このようなあるデバイスでは、キャビティに含まれる水が、加熱されたときに駆動シャフトを押す。水は冷却時に凝縮し、液体の毛管作用によって駆動軸が引き込まれる。しかしこのデバイスは、電力を用いて作動流体を加熱し蒸発させ、かつ作動流体を循環的に加熱し冷却するための機構がないため、真の熱機関ではなく作動装置として機能する。他の熱駆動作動装置は、短い距離にわたって力をかける場合に固体の熱膨張、またはいわゆる形状記憶合金の形状変化に依存する。この場合も、これらのデバイスは、循環的に動作せず、かつ熱エネルギーを機械力または電力に変換しないため、真の熱機関ではない。
【０００６】
ＭＥＭＳおよび微小電子デバイスにおける電力トランスデューサとして何年も圧電薄膜が使用されている。従来の微小加工方法を用いてこのようなデバイスを作製することは比較的容易であるため、圧電被膜は電力変換用の魅力的な選択肢である。一般的には、微小加工では、集積回路の製造に使用できるように開発され改良された、マイクロリソグラフィやエッチングなどの処理技術が使用される。微小加工は寸法の微細な調節を可能にするものであり、シリコンから部品を作製するのに広く用いられている。しかし微小加工は、シリコンまたは従来集積回路の製造に用いられている他の材料からの工作物の形成への適用が制限されておらず、微小加工を他の材料に適用することが知られている。
【０００７】
マイクロ作動装置、ポンプ、弁のような圧電被膜の大部分の用途では、電力が機械力に変換される。圧電被膜を利用したマイクロセンサも機械から電気への変換に使用されているが、このようなデバイスは使用可能な電力を有効な程度に生成することができない。したがって、エネルギーを熱エネルギーや運動エネルギーのような一形態から、ＭＥＭＳおよび微小電子デバイスに電力を供給するための有用な電気エネルギーに変換するのに圧電薄膜を利用することが望ましい。
【０００８】
小型電源と共に、ＭＥＭＳおよび微小電子機器から熱を除去するように構成されたマイクロデバイスも必要である。特に集積回路製造業者は、高動作温度によって課されるマイクロプロセッサ速度および性能の限界にすでに達している。したがって、積極的な冷却を通じて廃熱を除去することによってチップ動作温度を低下させることは、マイクロプロセッサ業界がこのような障害を克服するうえで利用できる最も有望な方法の１つとみなされる。したがって、ＭＥＭＳおよび微小電子機器の冷却用途向けに微小熱ポンプで圧電被膜を実現することが望ましい。
【０００９】
したがって、ＭＥＭＳおよび微小電子デバイスと共に使用できる圧電マイクロトランスデューサが必要である。
【００１０】
概要
一態様によるマイクロトランスデューサは、第１の膜、第２の膜、第１の膜と第２の膜との間に協同的に形成された液密キャビティ、およびキャビティ内に配置された作動流体を含む。第１の膜は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に配置された圧電部材を含む。
【００１１】
マイクロトランスデューサは、微小熱機関または微小熱ポンプとして動作させることができる。微小熱ポンプの場合、第２の膜に隣接して低温放熱器が配置され、第１の膜に隣接して高温熱源が配置される。高温熱源はおよび低温放熱器は、それぞれ第１の膜および第２の膜と周期的に熱接触し、したがって、微小熱機関を通じて高温熱源から低温放熱器に流れる熱エネルギーは電気エネルギーに変換される。微小熱ポンプの場合、第１の膜に隣接して低温熱源が配置され、第２の膜に隣接して高温放熱器が配置される。低温熱源はおよび高温放熱器は、それぞれ第１の膜および第２の膜と周期的に熱接触する。熱が低温熱源から高温放熱器に伝達されるように、電気エネルギーが微小熱ポンプによって消費される。微小熱機関でも微小熱ポンプでも、作動流体は望ましくは、蒸気と液体の飽和混合物を含む。
【００１２】
他の態様によれば、複数のマイクロトランスデューサが、シリコン・ウェハのような一対の第１および第２の基板として形成される。第１の基板と第２の基板との間に複数の液密キャビティが協同的に形成され、キャビティ内に作動流体が含められる。第１または第２の基板上の各キャビティに複数の圧電ユニットが形成される。各圧電ユニットは、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極の間に挿入された圧電層を含む。各対がマイクロトランスデューサのアレイを含む第１および第２の基板の追加の対を、各レベルがそれ自体の温度差分にわたって動作する縦続レベルのシステムを形成するように積み重ねることができる。
【００１３】
マイクロトランスデューサを構築する一態様による方法は、第１の基板および第２の基板を提供する段階を含む。第１または第２の基板上に第１の金属層、圧電層、および第２の金属層が形成される。第１の基板と第２の基板との間にキャビティが形成され、キャビティ内に作動流体が導入される。第１の基板と第２の基板は、流体をキャビティ内に密封するように接合される。特定の一手法では、たとえばフォトレジスト材料の層を含む中間層が、第１の基板と第２の基板との間に挿入される。キャビティは、第１および第２の基板、ならびに中間層に形成された開口部によって形成される。第１および第２の基板の一部をエッチングすることなどによって第１および第２の基板に凹部を形成し、エネルギーを伝導することのできるマイクロトランスデューサの第１および第２の膜を形成することができる。
【００１４】
マイクロトランスデューサを用いて電気エネルギーを生成する一態様による方法も提供される。マイクロトランスデューサは、流体を受け入れるチャンバ、および圧電発電機を含む表面を有する。マイクロトランスデューサのチャンバに流体が導入される。流体が膨張し、圧電発電機が外側にたわみ、それによって電荷が発生する。特定の一手法では、流体はチャンバに密封された作動流体であり、熱エネルギーが、マイクロトランスデューサを通って高温熱源と低温放熱器との間を流れ、流体を膨張させる。他の手法では、流体は流体チャンバ内で点火される燃料と酸化剤の混合物を含む。燃料と酸化剤の混合物が燃焼すると、圧電発電機が流体チャンバから外側にたわみ、それによって電荷が発生する。
【００１５】
他の態様によれば、圧電発電機を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、圧電発電機を揺動体に結合する段階を含む。本体が揺動することによって圧電発電機が揺動し、それによって電荷が発生する。電気デバイスに電力を供給するかまたは電池に再充電する場合に圧電発電機からこの電荷を除去することができる。望ましくは、圧電発電機は圧電発電機によって生成される電気エネルギーを最大にするように、本体の振動周波数と概ね等しい共振機械周波数を有するように構成される。
【００１６】
他の態様によるマイクロトランスデューサは支持構造を含む。圧電発電機は、この支持構造に結合され、支持構造に対してたわむことができる。圧電発電機の共振機械周波数を減少させるように、圧電発電機によって所定の位置に質量が保持される。
【００１７】
発明の説明
この説明では、語「トランスデューサ」は、一形態の有用なエネルギーを他の形態の有用なエネルギーに変換するデバイスを指すのに用いられる。たとえば、エネルギーは、機械的運動のエネルギーから電流に変換するか、または熱エネルギーから機械的運動に変換することができる。さらに、ある様式で動作できる多数のトランスデューサが逆の様式でも動作できることが知られている。一例として、あるデバイスは、エネルギーを電流から機械的運動に変換する電動機として動作すると共に、機械的運動を電流に変換する発電機として動作することもできる。さらに、「圧電材料」は、たとえば曲げ、たわみの結果として加えられる機械的応力が電気的分極を生じさせ、逆に、印加された電界が、材料の機械的変位を生じさせる機械的ひずみを誘導する材料を指す。本明細書で使用される語「基板」は、１つまたは複数のマイクロトランスデューサを作製することができ、従来半導体デバイスの製造に用いられているシリコン・ウェハなどの材料に制限されない任意の支持材料を指す。
【００１８】
微小熱機関／微小熱ポンプ
一局面によれば、マイクロトランスデューサは、高温から低温に流れる熱エネルギーを電流に変換する微小熱機関、または電気エネルギーを消費してより低い温度からより高い温度に熱エネルギーをポンピングする（ｐｕｍｐ）微小熱ポンプ、すなわち微小冷蔵庫として働くことができる。マイクロトランスデューサは、たとえばＭＥＭＳや微小電子デバイスに電力を供給する微小熱機関、またはＭＥＭＳまたは微小電子デバイスから熱を除去する微小熱ポンプとして使用できる特定の適用性を有する。
【００１９】
図１は、一態様によるマイクロトランスデューサ１０の拡大断面図を示す。図示の構成のマイクロトランスデューサ１０は、第１の主層１２および第２の主層１４を含むセル状構造を有する。他の態様では、マイクロトランスデューサ１０は円形または他の様々な形状であってよいが、マイクロトランスデューサ１０は概ね矩形の形状を有する。作動態様においては、第１および第２の主層１２および１４はシリコン・ウェハを含む。しかし、マイクロトランスデューサ１０は、石英、サファイア、プラスチック、セラミック、またはアルミニウムなどの薄膜金属のようなシリコン以外の材料で製作することができる。シリコン・ウェハまたは他の同等な材料からマイクロトランスデューサ１０を製造する方法について以下に詳しく記載する。
【００２０】
第１の主層１２と第２の主層１４との間に流体キャビティ８が協同的に形成されている。本態様では、たとえば流体キャビティ８は、マイクロトランスデューサ１０の第１の膜１８（図１では上方の膜１８として示されている）、マイクロトランスデューサ１０の第２の膜１６（図１では下方の膜１６として示されている）、および側壁２０で囲まれている。第２の膜１６は、第２の主層１４に規定された凹部、またはより厚みの減少した領域を含む。第１の膜１８も同様に、凹部、またはより厚みの減少した領域を含む。側壁２０は、第１の主層１２と第２の主層１４との間に配置された中間層３８内に形成された、概ね矩形の開口部によって規定されている。
【００２１】
流体キャビティ８内に作動流体６が含まれている。図１に示されているように、作動流体６は、飽和蒸気２２および飽和液体２３を含む２つの相を含んでよい。望ましくは、マイクロトランスデューサ１０で使用される作動流体は、マイクロトランスデューサ１０の熱力学的サイクル全体にわたって、飽和液体−蒸気混合物のままであるように選択される。特定の二相作動流体の選択は、マイクロトランスデューサ１０の動作環境に依存する。たとえば、比較的低温の用途（すなわち、２０００Ｆよりも低い温度）では、Ｒ１１などの冷媒が適切であることが証明されている。中程度の温度の用途（すなわち、２０００Ｆを超える温度）では、二相作動流体として水を使用することができる。以下に説明する理由でさほど望ましくはないが、作動流体６は完全に蒸気または液体からなりうる。
【００２２】
いずれにせよ、二相作動流体の使用は、トランスデューサによって実現される熱効率が理想的なカルノー・サイクルの熱効率にほぼ等しくなるという点で重要である。従来の大規模な熱機関および熱ポンプでは、表面張力によって、二相飽和混合物の液体部分が膨張過程および圧縮過程中に熱機械を急速に破壊しうる小さな液滴を形成するため、二相流体を使用することはできない。しかし、本態様では、表面張力がマイクロスケールで生じるため、二相作動流体を使用することができる。具体的には、図１に示されているように、液体部分２３は蒸気表面張力によって部分２２から分離し、トランスデューサ１０の内壁２０に付着し、他の場合にトランスデューサを損傷させる液滴の形成を防止する。
【００２３】
図１Ａにおいて、図１の拡大部分は、第１の膜１８が望ましくは、第１の主層１２の材料（たとえば、本例ではシリコン）を含む支持層２４を含むことを示している。任意の酸化シリコン層２６が支持層２４に並置され、第１の電極２８（図１Ａには頂部の電極として示されている）が酸化層２６に並置され、圧電部材または層３４が頂部の電極に並置され、かつ第２の電極３６（図１Ａには底部の電極として示されている）が底部の電極３６に並置されている。支持層２４、酸化層２６、頂部の電極２８、圧電層３４、および底部の電極３６は全体として第１の膜１８を規定している。
【００２４】
第１および第２の各電極２８、３６は、任意の適切な材料を含んでよい。たとえば作動態様において、底部の電極３６は金（Ａｕ）の層を含む。第１の電極２８は、白金（Ｐｔ）の第１の層３２およびチタン（Ｔｉ）の任意の第２の層３０を含み、白金層の酸化シリコン層２６への付着を容易にしている。圧電層３４は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような十分な圧電特性を有する任意の材料から作製することができる。
【００２５】
中間層３８は、たとえば、ＳＵ８（シェル・ケミカル社（Ｓｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）から市販されている）などのフォトレジスト材料の層を含む。マイクロトランスデューサ１０の側壁２０を形成するように、フォトレジスト材料中に開口部が形成されている。マイクロトランスデューサ１０の第２の膜１６は第２の主層の材料（たとえば、本事例ではシリコン）を含む。第２の膜１６は、第１の膜１８よりも厚みが大きく、したがって、第２の膜１６は一般に第１の膜よりも硬い。したがって、マイクロトランスデューサ１０の動作中に、第１の膜１８は内側および外側にたわみ、一方、第２の膜１６は実質的に一定の外形を保持する。
【００２６】
一般的に言えば、圧電層３４は、電極２８および３６と共に、（電気的な仕事を機械的な仕事に変換する）圧電作動装置および（機械的な仕事を電気的な仕事に変換する）圧電発電機の両方として機能する圧電ユニットを規定する。作動装置としての動作に関しては、頂部および底部の各電極２８および３６に印加された電圧によって、圧電層３４、およびそれによって第１の膜１８が内側にたわみ、それによって作動流体６の蒸気相２２が圧縮される。逆に、発電機としての動作に関しては、作動流体６の蒸気相２２が膨張し、圧電層３４、およびそれによって第１の膜１８が外側にたわんだときに、頂部および底部の各電極２８および３６の間にわたって電圧が発生する。したがって、第１の膜１８は内側および外側にたわみ、トランスデューサ内に含まれる作動流体の蒸気相を交互にそれぞれ、膨張させ圧縮させる。しかし、従来の機械におけるすべり部品および回転部品とは異なり、マイクロトランスデューサ１０ではすべり摩擦による散逸損失の問題は起こらない。マイクロトランスデューサ１０の動作および構造のさらなる詳細を、まず微小熱機関に関して、次いで微小熱ポンプに関して、以下に記載する。
【００２７】
微小熱機関
図２Ａ〜２Ｄは、高温熱源４４と低温放熱器４６との間で動作する一態様による熱機関４２の熱力学的サイクルを示している。図示の態様では、高温熱源４４は、第１の膜１８を高温熱源４４に周期的に熱結合するように動作可能な、熱スイッチまたは接点４８を有する。同様に、低温放熱器４６は、第２の膜１６を低温放熱器４６に周期的に熱結合するように動作可能な、熱スイッチまたは接点５０を有する。熱機関４２の熱力学的サイクルは、カルノー蒸気サイクルに基づき、以下の４つの過程から成る：（１）圧縮、（２）高温熱付加、（３）膨張および電力生成、（４）低温熱除去。この４過程サイクル中に、熱機関４２の第１の膜１８は完全な揺動を１回完了する。
【００２８】
サイクルの第１の過程、圧縮は図２Ａで表されている。初期サイクルの圧縮ストロークでは、圧電層３４（図１Ａ）全体に電圧を発生させるために、頂部および底部の電極２８および３６（図１Ａ）に接続された電気スイッチ（図示せず）が閉じられる。電圧が印加されることによって、圧電層３４（図１Ａ）、およびそれによって第１の膜１８が下向きに第２の膜の方へたわみ、それによって蒸気２２が圧縮される。作動流体６の全体の容積が少なくなるにつれて、作動流体６の圧力が高くなり、それに対応して温度が上昇する。圧縮過程の終了時に、電気スイッチが開かれ、それによって圧電層３４は、電圧が印加されていた間に電極２８および３６上に蓄積された電荷を保存するコンデンサになる。
【００２９】
第２の過程、高温熱付加では、伝導によって熱エネルギーを熱機関４２に伝達するために、（図２Ｂに示されているように）高温熱源４４が熱スイッチ４８を介して第１の膜１８に熱結合される。熱が作動流体６内に移動すると、作動流体６の液体部分２３の一部が蒸発し、それによって作動流体６の全体の容積が増え、第１の膜１８が上向きに変位する。第１の膜１８が上向きに変位すると、加えるられたひずみによって圧電層３４（図１Ａ）の双極子モーメントが増し、次にそれが電極２８および３６（図１Ａ）の開路電圧を増大させる。熱付加過程の終了時に、作動流体６の温度および圧力、ならびに電極２８および３６にわたる開路電圧は、その各作動サイクルの最大値に達する。
【００３０】
図２Ｃを参照すると、第３の過程、膨張および図２Ｂの熱源４４との結合部からの電力の産生が示されている。この過程では、電極２８および３６（図１Ａ）に蓄積されている電荷の除去を可能にするように前述の電気スイッチ（図示せず）が閉じられる。この結果生じた電流は電極から、たとえば電力調節器（図示せず）に流れ、そこでエネルギーを、微小電子デバイスまたはＭＥＭＳによって使用できる形態で得られるようにすることができる。電極２８および３６から電荷が排出されると、弾性率および結果として生じる圧電層３４（図１Ａ）のひずみがより高い開路値からより低い閉路値へ低下する。したがって、圧電層３４（図１Ａ）が弛緩し、そのため第１の膜１８は作動流体６の圧力下で上向きにたわむことができる。したがって、作動流体６の蒸気２２は、第１の膜１８が、図２Ｃに示されているようにその最大外側たわみ点に達するまで、圧力および温度が低下するにつれて膨張する。
【００３１】
第４の過程、低温熱除去では、伝導によって熱機関４２から熱エネルギーを除去するために、（図２Ｄに示されているように）低温放熱器４６が熱スイッチ５０を介して第２の膜１６に熱結合される。熱機関４２から熱が除去されるにつれて、蒸気２２の一部が凝縮し、それが作動流体６の容積を減少させる。作動流体６の容積がこのように減少すると、第１の膜１８の戻りたわみが起こり、かつそれに対応して圧電層３４（図１Ａ）のひずみが減少する。低温熱除去過程は電気スイッチが閉じて外部電圧が印加されずに起こるため、圧電層３４は短絡する。その結果、圧電層（図１Ａ）に電荷を蓄積することはできず、圧電層３４（図１Ａ）の弾性率がそのより高い開路値に戻り、第１の膜１８が図２Ａのその内側たわみ位置に戻るのを助ける。熱除去過程に続いて、再び圧縮過程から熱力学的サイクルが繰り返される。
【００３２】
圧電層３４の機械−電気変換の効率は、第１の膜１８の振動周波数がその共振機械周波数にどれだけ近づくかに強く依存すると考えられる。これは、電気エネルギーに変換されるのが、圧電層３４内にひずみとして伝達される機械エネルギーの一部（約１０分の１）だけであるためである（機械エネルギーの残りの部分はばねエネルギーとして蓄積される）。したがって、熱機関４２を第１の膜１８の共振機械周波数またはそれに近い周波数で動作させた場合、電気エネルギーに変換されずばねエネルギーとして保存された機械エネルギーを後でサイクル中に再利用することができる。特に、この保存されたばねエネルギーを、初期サイクルの後に続く作動流体の圧縮（過程１、図２Ａ）を実現するために用いることができる。ひずみエネルギーをこのように回復すると、外部電源から電流を引き込むことなしに圧縮が行われるため、機関効率が実質的に高くなる。逆に、共振周波数に等しくない振動周波数で動作すると、この保存されたばねエネルギーの一部またはすべてが失われると共に、その後機関効率が失われると考えられる。
【００３３】
熱エネルギーは外部熱源から熱機関４２に伝達されるため、熱機関４２は、大規模な外燃機関の熱機関と同様の方法で動作する。しかし、従来の大規模な外燃機関とは異なり、作動流体が熱機関４２から別個の熱交換機まで循環することはない。その代わり、熱は伝導によって第２および第１の膜１６、１８を通して熱機関の内部および外部に交互に伝達され、一方作動流体は熱機関４２の内側に残る。基本的に、熱機関４２はそれ自体の熱交換機として機能し、これはマイクロスケール・レベルで実現できる大きな表面積−体積比によるものである。したがって、微小熱機関４２がすべての熱機関機能を自立セル状構造に一体化することが明らかなはずである。このような設計上の解決策は大規模な機関では不可能であると考えられる。
【００３４】
ある種の用途に対する所要電力を供給するには単一の熱機関４２で十分であるが、電力出力を増すには複数の熱機関を並列接続することができる。たとえば、所定の循環周波数で動作する１つの熱機関が１ミリワットを発生する場合、並列接続され、かつ同じ周波数で動作する１０個の熱機関は１０ミリワットを発生する。そのため、熱機関の数を変えることによって１ミリワットから数ワットまたはそれを超えるどの電力でも発生するように動作できる電源を提供することが可能である。
【００３５】
たとえば、図５を参照すると、各レベルがそれ自体の温度差分にわたって動作する縦続レベルのシステムを形成するように、互いに対して上位に積み重ねられた第１および第２の各基板７４、７６の対７２（たとえば、シリコン・ウェハの対）を含む装置７０が示されている。同一の熱機関４２のアレイが、第１および第２の基板７４および７６の各対７２の中に微小機械加工され、各基板対間に中間層８０（たとえば、フォトレジスト材料の層）が配置される。この配置では、各熱機関４２は隣接するレベルの他の熱機関４２と整列され、空気の絶縁層が介在する。各熱機関４２は、圧電ユニット（すなわち、２つの電極間に配置された圧電層）を有する可とう性の第１の膜１８および実質的に硬い第２の膜１６を含む。熱機関４２の第２の膜１６上に熱スイッチまたは接点７８を位置付けることができる。
【００３６】
縦続内の最高温度範囲で動作するレベルの第２の膜１６（図５では基板７４および７６の最上対７２として示されている）に隣接して、高温熱源８２が位置付けられている。高温熱源８２は、隣接する第２の膜１６に周期的に熱接触するように動作することができる。熱接点７８は、隣接する第２の膜１６に接触するように高温熱源８２上に配置することができる。同様に、最低温度範囲で動作するレベルの第１の膜１８（図５では基板７４および７６の最下対７２として示されている）に隣接して、低温放熱器８４が位置付けられている。低温放熱器８４は、隣接する第１の膜１８に周期的に熱接触するように動作することができ、高温熱源８２と同様に低温放熱器は熱接点７８を含んでよい。したがって、熱エネルギーは、矢印８６で示されている方向に、装置７０中を通って伝導する。
【００３７】
図５で、装置７０は、熱機関４２の各熱力学的サイクルが同期するように動作させられる。すなわち、特定のレベルの各熱機関４２は、熱力学的サイクルの同じサイクルを同時に受ける。しかし、各レベルは隣接するレベルに対して１８０°ずれた位相で動作する。たとえば、あるレベルの熱機関４２が熱付加過程を受けると、隣接するレベルの熱機関４２は熱除去過程を受ける。したがって、各熱機関４２の第１の膜１８は、より低い温度範囲の隣接するレベルにおける熱機関４２の高温熱付加過程（過程２）用の高温熱源として働く。同様に、各熱機関４２の第２の膜１６は、より高い温度範囲の隣接するレベルにおける熱機関４２の低温熱除去過程（過程４）用の低温放熱器として働く。熱スイッチ７８は、第１の膜１８からより低い温度範囲の隣接するレベルにおける、それぞれの第２の膜１６への熱エネルギーの伝導を容易にするように、第２の膜１６上に位置付けられている。
【００３８】
縦続配置を使用すると、圧電部材で実現できる膨張および圧縮比が制限されるため、各熱機関４２の温度差分が比較的小さくなるので有利である。したがって、熱機関４２の縦続を構成することによって、任意の広い温度範囲にわたって動作する電源を提供することが可能である。縦続配置での動作は、特定のレベルの圧力および温度範囲に最も適切な作動流体６を選択することが可能になる点でも望ましい。
【００３９】
熱機関４２を介した熱の十分な伝達を確実にするため、熱機関４２の寸法は、必ずしも必要ではないが、望ましくは、熱伝達面積を最大にし、かつ伝導経路長を最小限にするために小さな縦横比（すなわち、小さな厚み−幅比）を提供する。十分に小さな適切な縦横比は、熱機関がそれぞれ約５ミクロンまたはそれ未満の厚みを有する第１および第２の膜を有することによって、得ることができる。機関キャビティ８の厚み、すなわち、膜１６、１８間の距離は望ましくは約５０ミクロンまたはそれ未満である。このため、機関キャビティ８内の作動流体は薄い層の形態になると考えられる。これに対して、膜の長さは、望ましくはその厚みよりも相対的に大きく、より大きな膜または小さな膜を使用することができるが、たとえば１ｍｍから５ｍｍの間である。
【００４０】
実施例
微小熱機関４２の一例では、第１の膜１８の厚みは約２ミクロンであり、第２の膜１６の厚みは約５ミクロンであり、機関キャビティの厚みは約２５ミクロンである。したがって、熱機関を通る伝導経路の全長は約３２ミクロンである。第２および第１の膜の表面の寸法は約２．０ミリメートル×２．０ミリメートルであり、このため、各膜において縦横比は約０．１６０、熱伝達面積は４．０ｍｍ２になる。前述の寸法によって、作動流体の単位容積当たりの最大表面積と、熱機関を通して熱を伝導できるほど短い伝導経路が確保されることが見出されている。第１の部材１８のシリコン層２４および酸化シリコン層２６の厚みはそれぞれ、約６００ｎｍおよび４００ｎｍである。頂部の電極１８は、厚さ２０ｎｍのＴｉ層と厚さ２００ｎｍの薄いＰｔ層とを含む。圧電部材３４は、厚さ５００ｎｍのＰＺＴ層を含む。底部の電極は厚さ２００ｎｍのＡｕ層を含む。作動流体はＲ１１である。
【００４１】
もちろん、当業者は前述の寸法（および本明細書に記載された他の寸法）が本発明のある局面を示すために与えられており、本発明の局面を制限するものではないことを認識すると考えられる。これらの寸法は、様々な用途または状況で必要に応じて修正することができる。
【００４２】
微小熱ポンプ
図２Ａ〜２Ｄに示されている熱機関４２の動作サイクルを逆にすることによって、熱機関を微小熱ポンプまたは冷蔵庫として使用することができる。次に図３を参照すると、低温熱源６２と高温放熱器６４との間で動作する、図１のマイクロトランスデューサ１０と同じ概略的な構成を有する熱ポンプ６０が示されている。図示の態様では、高温放熱器６４は、第２の膜１６を高温放熱器６４に周期的に熱結合する熱スイッチ６８を含む。同様に、低温熱源６２は、第１の膜１８を低温熱源６２に周期的に熱結合する熱スイッチ６６を有する。
【００４３】
熱ポンプ６０の作動サイクルには、伝導によって熱エネルギーが低温熱源６２から熱ポンプ６０内に伝達される。作動流体６の蒸気２２を圧縮することによって、低温熱エネルギーが高温熱エネルギーに変換され、高温熱エネルギーは次いで伝導によって熱ポンプ６０から高温放熱器６４に伝達される。熱ポンプ６０の熱力学的サイクルは、理想的なカロニー蒸気サイクルの逆の順序に従って、４つの過程、すなわち、（１）圧縮、（２）高温熱除去、（３）膨張、および（４）低温熱吸収を特徴とする。熱機関４２と同様に、熱ポンプ６０の第１の膜１８はサイクル中に１回の完全な揺動を完了する。
【００４４】
第１の過程、すなわち圧縮の開始時に、熱ポンプ・キャビティの容積はその最大容積点にあり、第１の膜１８は最大外側たわみ点にある。圧縮は、頂部および底部の電極２８および３６（図１Ａ）に接続された電気スイッチ（図示せず）を閉じて圧電層３４（図１Ａ）の両端間に電圧を発生させることによって行われる。電圧が印加されると、圧電層３４が作動装置として機能し、第１の膜１８を下向きに第２の膜１６の方へたわませ、それによって蒸気２２を圧縮する。作動流体６の全体的な容積が少なくなるにつれて、作動流体６の圧力が低下し、それに対応して温度が低下する。圧縮過程の終了時に、電気スイッチが開かれ、それによって圧電層３４がコンデンサになり、電圧が印加された間に電極上に蓄積された電荷を保存する。
【００４５】
第２の過程、すなわち高温熱除去では、伝導によって熱ポンプ６０から熱エネルギーを除去するために、高温放熱器６４が熱スイッチ６８を介して第２の膜１６に熱結合される。熱ポンプ６０から熱が除去されるにつれて、蒸気２２の一部が凝縮し、作動流体６の容積が少なくなる。しかし、作動流体６は液体と蒸気の飽和混合物であるため、作動流体６の温度および圧力は一定のままである。作動流体６の容積が少なくなることによって、第１の膜１８はさらに第２の膜１６の方へたわむことができる。この過程は電気スイッチを開いた状態で行われるため、第１の膜１８が内側にたわむにつれて、圧電層３４の双極子モーメント、したがって電極２８および３６の開路電圧が低下する。
【００４６】
第３の過程、すなわち膨張ではまず、作動流体６がその最小可能容積まで圧縮され、第１の膜１８はその最大内側たわみ点にある。膨張過程を開始する場合、電極２８および３６に保存されている電荷を除去できるように電気スイッチが閉じられる。電極２８および３６から電荷が排出されるにつれて、弾性率および結果として生じる圧電層３４のひずみが比較的高い開路値から比較的低い閉路値へ低下する。したがって、圧電層３４が解放され、第１の膜１８は作動流体６の圧力の下で上向きにたわむことができる。したがって作動流体６は、第１の膜１８がその中立点、すなわち零たわみ点に達するまで、圧力および温度の低下と共に膨張する。
【００４７】
従来の大規模な熱ポンプ、たとえば絞り弁を利用して、仕事をせずに等エントロピー過程において作動流体を膨張させる蒸気圧縮・吸着機とは異なり、微小熱ポンプ６０は膨張過程時に、電極２８、３６から流れる電流の形態の仕事を行う。微小熱ポンプ６０は、仕事を抽出することによって、実質的な等エントロピー過程で作動流体６を膨張させる。これは２つの理由で有意義である。第１に、等エントロピー過程で仕事を抽出すると、内部エネルギーおよび作動流体６の温度が等エントロピー絞り過程の場合よりも低下する。このため、冷却が向上する。第２に、第１の過程で作動流体６を圧縮するのに必要な電力を、膨張時に発生した電流を用いて相殺する場合に、サイクルの効率を向上させることができる。
【００４８】
第４の過程、すなわち低温熱吸収では、伝導によって熱エネルギーを熱ポンプ６０に伝達するために、低温熱源６２が熱スイッチ６６を介して第１の膜１８に熱結合される。熱が作動流体内に移動するにつれて、作動流体の液体部分２３の一部が蒸発し、それによって作動流体６の容積が増す。これによって、第１の膜１８の上方への変位が起こり、電流が電極２８および３６から流れる。熱除去過程（過程２）と同様に、作動流体６は液体と蒸気の飽和混合物であるため温度および圧力は一定のままである。熱吸収過程に続いて、再び圧縮過程から熱力学的サイクルが繰り返される。
【００４９】
本発明の熱機関４２と同様に、熱ポンプ６０はすべての熱ポンプ機能を自立セル状構造に組み込んでいる。さらに、図５の縦続熱機関４２のシステムと同様に、単一の熱ポンプのみを用いて得られる冷却率および温度差分を超える、冷却率および温度差分が得られるように、縦続レベルのシステムを構成することによって複数の熱ポンプ６０を同様に配置することができる。一例として、単一の熱ポンプ６０が低温空間を１０℃冷却する場合、縦続アレイ状に積み重ねられた１０個の同様な熱ポンプ６０は、縦続の最下低温空間を１００℃冷却することができる。さらに、単一の熱ポンプ６０が低温空間から０．１Ｗの熱電力を伝達する場合、並列に配置された１０個の熱ポンプ６０は同じ低温空間から１．０Ｗの熱電力を伝達することができる。
【００５０】
熱機関４２に関して提案した寸法を熱ポンプ６０に使用することもできる。この場合も、熱ポンプ内に適切な熱伝達領域が存在するように、低縦横比をもたらす寸法が望ましい。
【００５１】
微小熱機関および微小熱ポンプの製造方法
微小製造技法を用いて、一対のシリコン・ウェハからマイクロトランスデューサのアレイを作製することができる。図４を参照すると、各シリコン・ウェハが（００１）結晶方向であり、かつ両面を研磨された一対のシリコン・ウェハのうちの第１のウェハ８８は、マイクロトランスデューサ１０のアレイのうちの第１の膜１８を形成するように提供されている。まず、ウェハ８８の両側で熱酸化物を成長させる。次いで、それぞれが＜１００＞方向に向けられた方形のパターンを、たとえば、第１のウェハの裏面で従来のリソグラフィを用いて形成する。次いで、ウェット化学エッチングを介して酸化物を除去し、シリコンの｛１１１｝面ではなく｛００１｝面を優先的に除去する、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）などの異方性エッチング液に第１のウェハ８８を浸ける。エッチングにより、酸化物が除去された場所に複数のピット９０が形成される。各ピット９０の底部におけるシリコンの残りが約５０ミクロンになったときに、第１のウェハ８８をエッチング液から取り出す。次いで、物理的蒸着を用いて非エッチング酸化物側に厚さ２０ｎｍのチタン層を堆積させ、物理的蒸着を用いて厚さ２００ｎｍの白金層をチタン層上に作製する。チタン層および白金層は、ウェハに形成される各トランスデューサ１０の頂部の電極２８を形成する。
【００５２】
各マイクロトランスデューサ１０の圧電層３４を形成するために、ＰＺＴ堆積用の溶液堆積経路を第１のウェハ８８上で実施する。まず、ペロブスカイト相を形成するのに必要な化学量比のＰｂ、Ｚｒ、およびＴｉを含む溶液を、白金層上にスピンコーティング（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔ）する。次いで、第１の層８８を空気中で１００℃で５分間加熱し、３５０℃で５分間加熱する。次いで、スピンコーティング・加熱過程を、ＰＺＴ層が約５００ｎｍになるまで繰り返し、その後、第１のウェハ８８を炉内で７００℃で１５分間加熱する。スピンコーティング段階と、ウェハ８８を空気中で１００℃で５分間加熱し、３５０℃で５分間加熱する段階とを、圧電層３４の最終的な厚み、望ましくは約５００ｎｍが得られるまで繰り返す。圧電層３４の最終的な厚みが得られた後、第１のウェハを再び炉内で７００℃で１５分間加熱する。
【００５３】
マイクロトランスデューサ１０の底部の電極３６を形成するため、物理的蒸着によってＰＺＴ表面上に厚さ２００ｎｍの金層を堆積させる。次いで、第１のウェハ８８を他の異方性エッチング液に浸け、各ピット９０の底部にある残りの５０ミクロンのシリコンを、所望のシリコン層の厚み（たとえば、１ミクロンから１０ミクロンの間）が残るまで除去する。
【００５４】
マイクロトランスデューサ１０の第２の膜１６を形成するため、第２のウェハ（図示せず）の裏面に方形のピットのアレイを加工する。この場合、第２のウェハ上のアレイは第１のウェハ８８上のピット９０のアレイに対応する。各ピットの低部に残るシリコンが約３０ミクロンになるまで、第２のウェハに対して加工を継続する。流体キャビティ８の側壁２０を形成する場合、第２のウェハの表面にＳＵ−８などのフォトレジスト材料層をスピンコーティングする。各マイクロトランスデューサ１０のキャビティの厚さは、好ましくは約５０ミクロンであり、第２のウェハに付加されるフォトレジスト層の厚みによって定められる。次いで、第１の膜１８および第２の膜１６を形成する方形にフットプリントが等しい方形パターンを、フォトリソグラフィを用いてフォトレジスト材料上に形成する。フォトレジスト層のマスクされていない部分を深さが５０ミクロンになるようにエッチングして、流体キャビティ８を形成する。キャビティ８を形成した後、少量の作動流体を付加し、たとえばシリンジ・ディスペンサを用いてキャビティをエッチングする。次いで、第１のウェハ８８を、その表面を下向きにして、第２のウェハの表面に堆積させたＳＵ−８フォトレジストに、両方のウェハ上の方形のキャビティが互いに整列するように接触させる。最後に、第１のウェハと第２のウェハを固定して同一のマイクロトランスデューサのアレイを形成する。必要に応じて、少数のトランスデューサを用いて満たすことのできる電力要件または冷却要件を有する用途では、個々のトランスデューサをウェハから分離してよい。
【００５５】
運動圧電マイクロトランスデューサ
本発明の他の局面によれば、圧電マイクロトランスデューサを用いて、移動体から運動エネルギーを得、運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換することができる。図６および７は、移動体からの運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する、一態様によるマイクロトランスデューサ１００を示している。マイクロトランスデューサ１００は、シリコンまたは他の同等な材料を含む本体１０２を含む。図６に示されているように、本体１０２は方形の形状を有する。ただし、本体１０２は矩形、円形、または他の様々な形状のいずれかであってよい。本体１０２の周辺部１１６に囲まれた可とう性の支持層１０４を形成するように、本体１０２に凹部が形成されている。本体１０２は、マイクロトランスデューサ１００の共振機械周波数を減少させる働きをする、中央に位置する質量１０６を含んでよい。この質量の重要性については以下に詳しく説明する。図７に示されているように、圧電ユニット１０８は支持層１０４によって保持されるか、または他の方法で支持層１０４に取り付けられている。圧電ユニット１０８は、第１の電極１１２と第２の電極１１４との間に配置された圧電層１１０を含む。
【００５６】
支持層１０４と圧電ユニット１０８は共に可とう性の膜１１９を規定し、本体１０２の周辺部１１６は、可とう性の膜１１９を支持する支持構造として働く。可とう性の膜１１９は（図７に双頭矢印１１８で示すように）周辺部１１６に対して上向きおよび下向きにたわむことができる。他の構成では、可とう性の膜１１９は支持層を含まず、その代わりに圧電ユニットが隣接する支持構造に結合される。
【００５７】
いずれにせよ、移動体上にマイクロトランスデューサ１００を載せると常に、本体の揺動によって可とう性の膜１１９が上向きおよび下向きにたわむ。圧電層１０４にひずみが加えられることによって圧電ユニット１０８の両端間に電圧が発生する。圧電ユニット１０８によって生成された電荷を伝導するために、第１および第２の電極１１２および１１４には電気リード線（図示せず）が接続されている。電荷はたとえば、ＭＥＭＳデバイスに電力を供給したり、電池に再充電したりするのに用いることができる。このように、マイクロトランスデューサ１００は、移動体からの運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する際に圧電発電機として機能する。
【００５８】
ある用途では、たとえばマイクロトランスデューサ１００が車両に取り付けられる。車両の振動（車両の機関の振動）により、電気エネルギーを発生させるための、マイクロトランスデューサ１００の可とう性の膜１１９のたわみが生じる。他の用途では、マイクロトランスデューサ１００が、ジョギングまたはウォーキングを行う人が携帯する携帯ラジオなどの携帯電気デバイスに組み込まれる。この用途では、ラジオを携帯する人の移動により、ラジオに電力を供給したり電池に再充電したりするのに用いることのできる電気エネルギーを発生させるための、マイクロトランスデューサ１００の振動が起こる。
【００５９】
望ましくは、マイクロトランスデューサ１００は、可とう性の膜１１９の変位を最大にし、それにより圧電ユニットによって生成される電圧を最高にするように、移動体の揺動の周波数に等しい機械的共振周波数を有するように構成される。したがって、マイクロトランスデューサ１００の共振周波数は、マイクロトランスデューサ１００が取り付けられる本体の振動周波数に応じて変化する。たとえば、可とう性の膜１１９の構成要素（すなわち、支持層１０４、圧電層１１０、第１の電極１１２、または第２の電極１１４のいずれか）の長さ、幅、または厚みを変えることによって、可とう性の膜１１９の構成要素の寸法を変えるか、または質量１０６のサイズを変えることにより、移動体の周波数に一致するマイクロトランスデューサ１００の共振周波数を得ることができる。可とう性の膜１１９の長さ、幅、または厚みを大きくするか、または質量１０６のサイズを大きくすると、それに対応して共振周波数が低くなる。逆に、可とう性の膜１１９の長さ、幅、または厚みを小さくするか、または質量１０６のサイズを小さくすると、それに対応して共振周波数が高くなる。
【００６０】
移動体の周波数が比較的低く、たとえば約１Ｈｚから１０００Ｈｚの範囲である用途では、マイクロトランスデューサの共振周波数を移動体の周波数に一致するように著しく減少させなければならないことがある。したがって、図６および図７の質量１０６などの質量を可とう性の膜１１９に載せると、マイクロトランスデューサ１００の全体的なサイズを不当に大きくせずにより低い共振周波数を実現できるため有利である。さらに、質量１０６のサイズを変えて共振周波数を変えることによって、たいていの用途に使用できる標準サイズのマイクロトランスデューサ１００を作製することができる。
【００６１】
マイクロトランスデューサ１００の寸法は変更しうる。マイクロトランスデューサ１００の膜１１９の長さは望ましくは約１ｍｍから５ｍｍである。マイクロトランスデューサ１００の形状が円形である場合、膜の直径は望ましくは約１ｍｍから５ｍｍである。圧電層１１０の厚みは望ましくは約０．５ミクロンから３０ミクロンである。第１および第２の電極１１２、１１４の各電極の厚みは望ましくは１ミクロン未満である。支持層１０４の厚みは約０．５ミクロンから約３０ミクロンの範囲であってよいが、望ましくはそれが支持する圧電層１１０の厚み未満である。
【００６２】
図８および図９は、移動体からの運動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する他の態様による、カンチレバー型マイクロトランスデューサ１２０を示している。マイクロトランスデューサ１２０は、シリコンのような任意の適切な材料を含む本体１２２を含む。支持層用の支持構造として働く本体１０２の周辺部１２６（図９に最も良く示されている）に囲まれた可とう性の支持層１２４を形成するように、本体１２２に凹部が形成されている。支持層１２４は、支持層１２４の自由端１４０が周辺部１２６に対して上向きおよび下向きにたわむことができるように、一端を除いて隙間１２８によって周辺部１２６から分離されている。支持層１２４と支持層１２４によって保持される圧電ユニット１３０は共に、可とう性のカンチレバー１４２を規定する。他の構成では、圧電ユニット１３０用の支持層は提供されず、圧電ユニット１３０の固定末端（すなわち、自由端１４０の反対側の末端）は隣接する支持構造に結合される。
【００６３】
圧電ユニット１３０は、図７の圧電ユニット１０８と同様に、第１の電極１３４と第２の電極１３６との間に配置された圧電層１３２を含む。マイクロトランスデューサ１２０の共振周波数を減少させるか、または他の方法で変えるために、可とう性のカンチレバー１４２の自由端の近くに質量１３８を配置することができる。図示の態様では、たとえば、質量１３８は、支持層１２４と一体であり、支持層１２４と同じ材料を含む。
【００６４】
図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０は、図６および図７のマイクロトランスデューサ１００と同様に機能する。したがって、マイクロトランスデューサ１２０が移動体上に載せられると、移動体の振動または揺動によって、カンチレバー１４２の自由端１４０が周辺部１２６に対して上向きおよび下向きにたわみ、それによって圧電ユニット１３０の両端間に電圧が発生する。
【００６５】
マイクロトランスデューサ１２０の寸法は変更しうる。カンチレバー１４２の長さは望ましくは約１ｍｍから５ｍｍであり、カンチレバーの幅は望ましくは約１０ミクロンから１００ミクロンである。圧電層１３２の厚みは望ましくは約０．５ミクロンから３０ミクロンである。第１および第２の電極１３４、１３６の各電極の厚みは望ましくは１ミクロン未満である。支持層１２４の厚みは約０．５ミクロンから約３０ミクロンの範囲であってよいが、望ましくは支持層１２４が支持する圧電層１３２の厚み未満である。
【００６６】
マイクロトランスデューサの大部分の用途のエネルギー要件では、単一のマイクロトランスデューサによって与えることのできる電気エネルギーよりも多くの電気エネルギーが必要である。したがって、他の態様では、図６および図７のマイクロトランスデューサ１００、または図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０と同じ概略的な構成を有する複数の同様なマイクロトランスデューサが、単一の基板上に形成される。他の態様では、電気エネルギーを生成する装置は、互いに積み重ねられた複数のマイクロトランスデューサが各基板上に形成された複数の基板を含む。
【００６７】
図６および図７のマイクロトランスデューサ１００と図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０を用いて、流体流から機械的な仕事を抽出することができる。図１０を参照すると、図１０のマイクロトランスデューサが、予め加圧された可とう性のカンチレバーを有することを除いて、図８および図９のマイクロトランスデューサ１２０と同様の構成を有するカンチレバー型マイクロトランスデューサ１５０が示されている。図示のように、プレストレスによって、カンチレバー１５２は下向きに、マイクロトランスデューサ１５０の本体１２２によって形成される水平面から離れる方向に湾曲している。たとえば、張力をかけられた層を可とう性のカンチレバー１５２の頂部に付加するか、または圧縮された層を可とう性のカンチレバー１５２の底部に付加することによって、可とう性のカンチレバー１５２に予め加圧する。張力をかけられるかまたは圧縮されたプレストレス層は、可とう性のカンチレバーの既存の層であっても、可とう性のカンチレバー１５２の頂部または底部に付加された追加の層（図示せず）であってもよい。このような追加の層は、たとえば物理的蒸着によって堆積されたタングステン被膜を含んでよい。スパッタリング時の堆積圧力は、所望の応力レベルが得られるように変えることができる。
【００６８】
マイクロトランスデューサ１５０の底部から間隔を置いて配置された第１の障壁部材１５６と、マイクロトランスデューサ１５０の頂部上に位置する第２の障壁部材１５８との間に流体溝１５４が規定されている。加圧された流体１６４は、カンチレバー１５２を上向きにたわませるようにカンチレバー１５２の下方の表面に当たるように、流体溝１５４を通って、矢印１６０で示された方向に流れる。カンチレバー１５２が流体流の方向１６０に実質的に非平行であるため、加圧された流体１６４によるカンチレバー１５２のたわみは最大になる。加圧された流体１６４の流れを遮ると、カンチレバー１５２はそのたわむ前の位置に戻ることができる。したがって、圧電ユニット１３０の両端間に電圧を発生させるために、双頭矢印１６２で示されているようにカンチレバー１５２に上向きおよび下向きに連続的にたわませるには、たとえばマイクロトランスデューサ１５０の上流で弁を開閉することにより、加圧された流体にパルスを加えることができる。望ましくは、マイクロトランスデューサ１５０によって生成される電気エネルギーが最大になるようにマイクロトランスデューサ１５０の共振周波数に等しい周波数のパルスが流体に加えられる。
【００６９】
他の態様では、図１０に示されているように、カンチレバー１５２にはプレストレスがかけられない。したがって、他の態様では、カンチレバー１５２は流体流の方向に対して実質的に平行である。しかし、この構成は、加圧された流体によって起こるカンチレバーの変位の範囲が図１０のカンチレバー１５２の変位よりも小さいため、それほど望ましくない。他の態様では、図１０の態様におけるカンチレバー型のマイクロトランスデューサ１５０の代わりに、図６および図７に示されているような膜型のマイクロトランスデューサが使用される。この膜には、流体流の方向に実質的に非平行な方向に湾曲するようにプレストレスをかけることができる。この構成では、予め加圧された層を膜に付加することによって、膜の中央部が、膜を囲むマイクロトランスデューサの周辺部から外側に広がる。
【００７０】
図１１および図１２は、各々が図１０に示されているマイクロトランスデューサ１５０と同じ概略的な構成を有する複数のカンチレバー型マイクロトランスデューサ１７６を含む装置１７０を示している。装置１７０は、第２の基板１７４から間隔を置いて配置された第１の基板１７２を含んでおり、各基板にはマイクロトランスデューサ１７６のアレイが形成されている。図１２に示されているように、第１の基板１７２と第２の基板１７４との間に流路１８２が形成されるように、第１の基板１７２に第１の障壁部材１７８が並置され、第２の基板１７４に第２の障壁部材１８０が並置されている。各マイクロトランスデューサ１７６のカンチレバー１８４には、それぞれの基板１７２、１７４の平面から離れる方向に流路１８２内へ湾曲するようにプレストレスがかけられている。振動する加圧された流体流が、流路１８２を通って、矢印１８８で示された方向に流れる。流体パルスは、流路１８２内を通るときに、マイクロトランスデューサ１７６のカンチレバー１８４に当たり、向かい合う基板上の下流のマイクロトランスデューサの他のカンチレバーの方へ方向を変えられる。このように、流体パルスは流路１８２を通過し、それぞれ第１および第２の基板１７２、１７４上のカンチレバーを交互に励起する。流路１８２を通過する加圧された流体が連続的に振動することによって、カンチレバー１８４が揺動し、それによってそれぞれの圧電ユニット１３０の両端間に電圧が発生する。
【００７１】
次に図１３Ａを参照すると、従来のハーモニカまたは同様のリード楽器に存在する自由振動リードと同様に、マイクロトランスデューサの表面を横切って定常流体流が流れているときは常に自由に振動または揺動するように構成された、マイクロトランスデューサ２００が示されている。図示の形態のマイクロトランスデューサ２００は、可とう性のカンチレバー２０４が形成された第１の主層２０２を含む。カンチレバー２０４の下方の表面に圧電ユニット２０６が取り付けられている。第１の主層２０２の下方の表面に第２の主層２０８が並置され、第２の主層２０８の下方の表面に第１の障壁部材２１０が並置されている。第２の主層２０８に形成された開口部２１２、第１の主層２０２および圧電ユニット２０６の下方の表面、ならびに第１の障壁部材２１０の上方の表面によって、下方の流体チャンバ２１４が規定されている。下方の流体チャンバ２１４は流体入口２２４を含む。第１の主層２０２の上方の表面に第２の障壁部材２１６が並置されている。第２の障壁部材２１６とカンチレバー２０４の上方の表面との間に、上方の流体チャンバ２１６が規定されている。第２の障壁部材２１６の凹部２２０と第１の主層２０２との間に上方の流体チャンバの流体出口２２２が規定されている。
【００７２】
カンチレバー２０４が図１３Ａに示されているようにその中立位置にあるとき、カンチレバー２０４の自由端は、下方の流体チャンバ２１４を上方の流体チャンバ２１８から事実上流体切断するように、第１の主層２０２の垂直の表面２２６に最も近づく。図１３Ｂに示されているように、流体入口２２４を通して下方の流体チャンバ２１４に定常流体が導入されると、最初はカンチレバー２０４の自由端が上方に第２の障壁部材２１６の方へたわみ、矢印２２８で示されているように、流体が上方の流体チャンバ２１８に流入するのを可能にする。次いで、カンチレバー２０４のばねエネルギーによって、カンチレバー２０４はその中立位置を経て下向きにたわみ、その点で上方のチャンバ２１８への流体流が一時的に遮られる。図１３Ｃに示されているように、カンチレバー２０４が下向きにその中立位置を越えてたわむと、流体は矢印２２８で示されているように、再び上方の流体チャンバ２１８に流入することができる。このように、カンチレバー２０４は、図１３Ｂに示されている上方にたわんだ位置と図１３Ｃに示されている下方にたわんだ位置との間で連続的に揺動し、流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００７３】
図１４を参照すると、装置３００は、直列に配置された複数の自由振動カンチレバーを含む。図示のように、第１のカンチレバー３０２が第１の層３０４内に形成され、第２のカンチレバー３０６が第２の層３０８内に形成され、第３のカンチレバー３１０が第３の層３１２内に形成され、第４のカンチレバー３１４が第２の層３１６内に形成され、第５のカンチレバー３１８が第５の層３２０内に形成されている。各カンチレバー３０２、３０６、３１０、３１４、および３１８上に圧電ユニット３２２が取り付けられている。第２の層３０８と第３の層３１２との間にスペーサ層３２４が挿入され、第４の層３１６と第５の層３２０との間にスペーサ層３２６が挿入されている。第１の層に隣接して位置する第１の末端層３２８は流体入口３３０を形成し、第５の層に隣接して位置する第２の末端層３３２は流体出口３３４を規定している。装置３００の各層間に複数の流体チャンバ３３６が規定されている。定常流体が、第１のチャンバ３３６を通って、矢印３３８で示されている方向に流れると、カンチレバー３０２、３０６、３１０、３１４、および３１８は、カンチレバーがそれぞれの中立位置から第１の方向に変位させられる第１の位置と、カンチレバーがそれぞれの中立位置から第２の方向に変位させられる第２の位置との間で、連続的に揺動する。
【００７４】
微小内燃機関
本発明の他の局面によれば、圧電マイクロトランスデューサは、燃料および酸化剤の周期的な燃焼によって発生する、周期的な圧力パルスの機械的な仕事を抽出することによって、内燃機関と同様に動作する。図１５Ａを参照すると、第１の主層４０２および第２の主層４０４を含むマイクロトランスデューサ４００が示されている。第１の主層４０２の凹部は、周辺部４１０に囲まれた支持層４０２を形成している。支持層４０６は圧電ユニット４０８を支持し、支持層４０６と圧電ユニット４０８とで可とう性の膜４１６を形成している。この構成では、圧電ユニット４０８は、周辺部４１０の外側の側壁間に連続的に延びるように示されている。他の態様では、圧電層４０８は、（図７に示されているように）周辺部４１０の内側の壁間に延びることができる。
【００７５】
圧電ユニット３０８の下方の表面と第２の主層４０４の隣接する表面に形成された凹部との間に、流体キャビティ４１２が規定されている。燃料と酸化剤（たとえば、空気）の混合物が流体キャビティ４１２を満たすのを可能にするように、１つまたは複数の流路４１４が第２の主層４０４を通って延びている。一般に、任意の揮発性で軽量の燃料を使用することができる。このような燃料の例には、ブタン、プロパン、エタノール、メタノールなどが制限なしに含まれる。
【００７６】
燃料と酸化剤の混合物を流体キャビティ４１２内で燃焼させると、（図１５Ｂに示されているように）可とう性の膜４１６が第２の層４０４から外側にたわむ。次いで、可とう性の膜のばねエネルギーが可とう性の膜４１６を押し、（図１５Ｃに示されているように）内側に第２の層４０４の方へたわませる。流体キャビティ４１２内の燃料と酸化剤の燃焼によって流体キャビティ４１２内で周期的な圧力パルスを発生させることにより、可とう性の膜４１６は、図１５Ｂに示されている外側にたわむ位置と図１５Ｃに示されている内側にたわむ位置との間で揺動し、それによって圧力ユニット４０８の両端間に電圧を発生させる。
【００７７】
図１６Ａおよび１６Ｂは、微小内燃機関として使用されるように構成された、他の態様によるマイクロトランスデューサ５００を示している。マイクロトランスデューサ５００は第１の主層５０２を含む。圧電カンチレバー５０３は、第１の主層５０２に形成されたカンチレバー式支持層５０６と、支持層５０６に結合された圧電ユニット５０８とを含む。支持層５０６と第１の障壁部材５１０との間に上方の流体チャンバ５１２を規定するように、第１の主層５０２上に第１の障壁部材５１０が位置している。開口部５１４を形成する第２の主層５０４が、第１の主層５０２の下方の表面に隣接して位置している。流体入口５２０を有する下方の流体チャンバ５１８を規定するように、第２の主層５０４の下方の表面に隣接して第２の障壁部材５１６が位置している。
【００７８】
動作時には、燃料と酸化剤の混合物が下方の流体チャンバ５１８から上方の流体チャンバ５１２に流入することによって、圧電カンチレバー５０３が上向きにたわみ、燃料と酸化剤の混合物が一時的に上方の流体チャンバ５１２に閉じ込められる。次いで、燃料と酸化剤の混合物が点火され、それによって、圧電カンチレバー５０３を押して下向きにたわませる圧力パルスが発生する。
【００７９】
微小ランキン・サイクル熱機関
本発明の他の態様によれば、従来の大規模なランキン・サイクル熱機関と同様に、使用可能な電気エネルギーが得られるように作動流体から仕事を抽出するために、１つまたは複数の圧電マイクロトランスデューサが用いられる。図１８は、一態様による、全体的に６００で示された微小ランキン・サイクル熱機関の外径略図である。ランキン・サイクルに基づく従来の大規模な機関は、機械的な仕事を生成する作動流体、および作動流体を加熱する燃料とを使用する。たとえば、従来の蒸気機関では、石炭などの化石燃料を燃焼させて作動流体、すなわち水蒸気を加熱している。しかし本態様では、単一の流体が熱機関６００の作動流体と燃料の両方として働く。作動流体／燃料は望ましくは、揮発性で軽量であり、蒸気圧の低い流体を含む。このような流体の例には、ブタン、プロパン、エタノール、メタノールなどが制限なしに含まれる。
【００８０】
熱機関６００は、作動流体／燃料を保存する槽６０２、ボイラ６０４、第１の過熱器６０６、第１の膨張器アレイ６０８、第２の過熱器６１０、第２の膨張器アレイ６１２、第３の過熱器アレイ６１４、第４の過熱器６１８、第４の膨張器アレイ６２０、および少なくとも１つの燃焼器６２２を含む。本態様の各膨張器アレイ６０８、６１２、６１６、６２０は、図１４の装置３００のような、自由振動カンチレバーを有する１つまたは複数の圧電マイクロトランスデューサを含む。
【００８１】
サイクルの開始時に、作動流体／燃料が槽６０２からボイラ６０４に流れ込み、そこで飽和蒸気になるまで加熱される。飽和蒸気はボイラ６０２から第１の過熱器６０６に流れ込み、さらに過熱状態になるまで加熱される。
【００８２】
過熱器６０６の下流で、過熱された蒸気は第１の膨張器アレイ６０８に流入する。第１の膨張器アレイ６０８は１つまたは複数の圧電マイクロトランスデューサ６２４を含む。各マイクロトランスデューサ６２４は、圧電ユニット（図示しないが上記に詳述）が取り付けられた自由振動カンチレバー６２６を含む。したがって、過熱された蒸気が第１の膨張器アレイ６０８を通って流れると、カンチレバー６２６は流体流中で前後にたわみ、それぞれの圧電ユニットの両端間に電圧を発生させる。作動流体／燃料の過熱された蒸気は、膨張器アレイ６０８を通って流れる際に膨張するため、蒸気の温度はその過熱時の温度から低下する。次いで、作動流体／燃料は第２の過熱器６１０内のその過熱時の温度まで再加熱され、その後過熱された蒸気は、第２の膨張器アレイ６１２を通って流れる際に再び膨張する。この膨張・再加熱過程は、蒸気が第３の過熱器６１４、第３の膨張器アレイ６１６、第４の過熱器６１８、および第４の膨張器アレイ６２０を通って流れる際にさらに２回繰り返される。
【００８３】
図１８の態様は４つの過熱器および４つの膨張器アレイを有するように示されているが、使用する過熱器および膨張器の数はこれよりも多くても少なくてもよい。望ましくは、作動流体／燃料は、その圧力低下によってさらなる再加熱および膨張が実際的なものでなくなるかまたは不可能になるまで、何度も再加熱され膨張させられる。
【００８４】
いずれにせよ、作動流体／燃料は、第４の膨張器アレイ６２０から出た後、燃焼器アレイ６２２に流れ込み、その時点で作動流体を燃料として使用することができる。各燃焼器６２２で、作動流体／燃料は酸化剤（たとえば、空気）と混合され点火されて、ボイラ６０４または過熱器６０６、６１０、６１４、もしくは６１８のうちの１つのいずれかを加熱する。
【００８５】
マイクロスケールで得られる作動流体／燃料の表面積・体積比が大きいため、膨張と再加熱を同時に行うことができる。たとえば、膨張器アレイは、膨張器を通って流れる作動流体／燃料が、隣接する燃焼器内で燃焼している作動流体／燃料によって同時に加熱されるように構成することができる。
【００８６】
他の形態の膨張器アレイ６０８、６１２、６１６、および６２０を使用してもよい。たとえば、図１１および図１２の装置１７０を各膨張器アレイに使用してよい。この構成では、作動流体／燃料で圧力パルスが発生するように各膨張器アレイの上流に弁を位置付けることができる。
【００８７】
本発明を、例示的な目的でのみ前述の態様に示した。本発明には、その趣旨または基本的な特徴から逸脱せずに多数の修正および変更を加えることができる。したがって、特許請求の範囲の趣旨および範囲内のすべてのそのような修正を本発明として請求する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様による圧電マイクロトランスデューサの拡大断面図である。
【図２Ａ〜２Ｄ】高温熱源と低温放熱器との間で動作するように示されている、図１のマイクロトランスデューサと同じ概略的な構成を有する圧電微小熱機関の熱力学的サイクルを示す図である。
【図３】低温熱源と高温放熱器との間で動作するように示されている、図１のマイクロトランスデューサと同じ概略的な構成を有する圧電微小熱ポンプの拡大断面図である。
【図４】圧電マイクロトランスデューサのアレイを作製するのに用いられる一対のウェハのうちの、マイクロトランスデューサの第１の膜を形成する複数の方形のピットを規定する、第１のウェハの裏面の平面図である。
【図５】各基板対に同一の圧電微小熱機関のアレイが形成された、重ね合わせられた第１の基板と第２の基板の対を含む、他の態様による装置の部分断面図である。
【図６】他の態様による可とう性膜型圧電マイクロトランスデューサの平面図である。
【図７】図６の線７−７に沿った、図６のマイクロトランスデューサの断面図である。
【図８】他の態様によるカンチレバー型圧電マイクロトランスデューサの平面図である。
【図９】図８の線９−９に沿った、図８のマイクロトランスデューサの断面図である。
【図１０】事前にカンチレバーに応力がかけられる、加圧された流体流からの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する他の態様による、カンチレバー型圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１１】事前に応力がかけられた複数のカンチレバー型圧電マイクロトランスデューサが形成された第１の基板を示すために、装置の頂部の障壁部材が除去されている、加圧された流体流からの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する他の態様による装置の平面図である。
【図１２】図１１の線１２−１２に沿った、図１１の装置の断面図である。
【図１３Ａ〜１３Ｃ】流体の定常流の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する自由振動圧電カンチレバーを含む、他の態様による圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１４】図１３Ａ〜１３Ｃのマイクロトランスデューサと同じ概略的な構成を有する複数の圧電マイクロトランスデューサを含む、他の態様による装置の断面図である。
【図１５Ａ〜１５Ｃ】微小内燃機関として使用できるように構成された、他の態様による圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１６Ａ〜１６Ｂ】微小内燃機関として使用できるように構成された、他の態様による圧電マイクロトランスデューサの断面図である。
【図１７】単一の流体が熱機関用の作動流体および燃料として働く、微小ランキン・サイクル熱機関の概略図である。
Claims (74)
- 以下を含む、マイクロトランスデューサ：
第１の膜；
第１の電極、第２の電極、およびそれらの間に配置された圧電部材を含む、第２の膜；
第１の膜と第２の膜との間に協同的に形成された液密（ｆｌｕｉｄ−ｔｉｇｈｔ）キャビティ；ならびに
キャビティ内に配置された作動流体。 - トランスデューサが熱力学的サイクルを有する微小熱機関として動作できるように、第１の膜に隣接して配置された低温放熱器および第２の膜に隣接して配置された高温熱源をさらに含み、熱エネルギーは熱力学的サイクル中に微小熱機関を通じて高温熱源から低温放熱器に流れ、電気エネルギーに変換される、請求項１記載のマイクロトランスデューサ。
- 低温放熱器が、微小熱機関の熱力学的サイクル中に、少なくとも一度低温放熱器および第１の膜を熱結合するように位置付けられた、少なくとも１つの熱スイッチを有し、かつ高温熱源が、微小熱機関の熱力学的サイクル中に少なくとも一度高温熱源および第２の膜を熱結合するように位置付けられた、少なくとも１つの熱スイッチを有する、請求項２記載のマイクロトランスデューサ。
- トランスデューサが熱力学的サイクルを有する微小熱ポンプとして動作できるように、第２の膜に隣接して配置された低温熱源および第１の膜に隣接して配置された高温放熱器をさらに含み、低温熱源から高温放熱器に熱が伝達されるように電気エネルギーが消費される、請求項１記載のマイクロトランスデューサ。
- 低温熱源が、微小熱ポンプの熱力学的サイクル中に、少なくとも一度低温熱源および第２の膜を熱結合するように位置付けられた、少なくとも１つの熱スイッチを有し、かつ高温放熱器が、微小熱ポンプの熱力学的サイクル中に、少なくとも一度高温放熱器および第１の膜を熱結合するように位置付けられた、少なくとも１つの熱スイッチを有する、請求項４記載のマイクロトランスデューサ。
- 作動流体は蒸気および液体の飽和混合物である、請求項１記載のマイクロトランスデューサ。
- 第１の膜はシリコン層を含み、かつ第２の膜は、第１および第２の電極ならびに圧電部材を支持するためのシリコン層を含む、請求項１記載のマイクロトランスデューサ。
- 第１の層；、
圧電特性を有し、かつ第１の層と第２の層との間に液密キャビティを形成するように第１の層に接合された第２の層；および
キャビティ内に含まれる作動流体；
を含み、
マイクロトランスデューサに流入する熱エネルギーによって作動流体が膨張し、それにより第２の層を広げて電荷を発生させる、マイクロトランスデューサ。 - 第１の層は、第１の膜を形成する第１の基板を含み、かつ第２の層は、第２の膜を形成する第２の基板を含むマイクロトランスデューサであって、マイクロトランスデューサはさらに、第１の層と第２の層との間にあり凹部を規定する中間層をさらに含み、第１の膜、第２の膜、および凹部は共に液密キャビティを規定する、請求項８記載のマイクロトランスデューサ。
- 作動流体は少なくとも蒸気相である、請求項８記載のマイクロトランスデューサ。
- 熱エネルギーをマイクロトランスデューサ内に伝達するように位置付けられた高温熱源をさらに含む、請求項８記載のマイクロトランスデューサ。
- 高温熱源は、熱エネルギーをマイクロトランスデューサ内に熱伝導するように位置付けられる、請求項１１記載のマイクロトランスデューサ。
- マイクロトランスデューサから熱エネルギーを受けるように位置付けられた低温放熱器をさらに含む、請求項８記載のマイクロトランスデューサ。
- 低温放熱器は、伝導によってマイクロトランスデューサから熱エネルギーを受けるように位置付けられる、請求項１３記載のマイクロトランスデューサ。
- 熱エネルギーがマイクロトランスデューサに流入して作動流体を膨張させたときは常に、第２の層が外側に広がり、第１の層が実質的に一定の外形を保持するように、第１の層が第２の層よりも硬い、請求項８記載のマイクロトランスデューサ。
- 以下を含む、複数のマイクロトランスデューサを有する構造：
第１の主層；
第１の層に並置された第２の主層；
第１の主層と第２の主層との間に協同的に形成された、複数の液密キャビティ；
キャビティに含まれる作動流体；
該各キャビティにおいて第１の主層によって保持される複数の第１の電極；
該各キャビティにおいて第１の電極によって保持される複数の圧電部材；および
該各キャビティにおいて圧電部材によって保持される複数の第２の電極。 - 各第１の電極は、第１の表面をおおう単体の第１の金属層を含み、複数の圧電部材は、第１の金属層をおおう単体の圧電層を含み、かつ複数の第２の電極は、圧電層をおおう単体の第２の金属層を含む、請求項１６記載の構造。
- 第１の主層は第１の基板を含み、かつ第２の主層は第２の基板を含み、第１の基板は、マイクロトランスデューサの第１の膜を規定する複数の凹部を有し、第２の基板は、第１の基板の凹部に整列し、かつマイクロトランスデューサの第２の膜を規定する複数の凹部を有する、請求項１６記載の構造。
- 第１の主層と第２の主層との間に配置された中間層をさらに含み、中間層は、第１の層と第２の層との間にそれぞれのキャビティを規定する複数の凹部を規定する、請求項１６記載の構造。
- 中間層はフォトレジスト材料を含む、請求項１９記載の構造。
- 作動流体は蒸気および液体の飽和混合物である、請求項１６記載の構造。
- マイクロトランスデューサを構築する方法であって、
（ａ）第１の基板および第２の基板を提供する段階；
（ｂ）第１の基板に第１の金属層、圧電層、および第２の金属層を付加する段階；
（ｃ）第１の基板と第２の基板との間にキャビティを形成する段階；
（ｄ）キャビティ内に作動流体を導入する段階；ならびに
（ｅ）流体をキャビティ内に密封するように、第１の基板および第２の基板を接合する段階
を含む方法。 - 段階（ｃ）は、中間層を提供する段階、および中間層の一部を除去してキャビティを形成する段階を含み、段階（ｅ）は、流体をキャビティ内に密封するように、第１の基板、中間層、および第２の基板を接合する段階を含む、請求項２２記載の方法。
- 段階（ｃ）は、第１の基板または第２の基板の少なくとも一方の一部を除去してキャビティを形成する段階を含む、請求項２２記載の方法。
- 第１の基板の一部を除去して第１の膜を形成する段階、第２の基板の一部を除去して第２の膜を形成する段階、第１の膜に第１の金属層、圧電層、および第２の金属層を付加する段階、ならびに第１の膜と第２の膜との間のキャビティ内に流体を密封するように、第１の基板、中間層、および第２の基板を接合する段階をさらに含む、請求項２３記載の方法。
- 第１および第２の基板はそれぞれのシリコン・ウェハを含む、請求項２２記載の方法。
- 第１の基板の一部をエッチングして第１の膜を形成する段階、第２の基板の一部をエッチングして第２の膜を形成する段階、第１の膜に第１の金属層、圧電層、および第２の金属層を付加する段階、ならびに第１の膜と第２の膜との間のキャビティ内に流体を密封するように、第１の基板および第２の基板を接合する段階をさらに含む、請求項２２記載の方法。
- 作動流体は蒸気および液体を含む、請求項２２記載の方法。
- 複数のマイクロトランスデューサを構築する方法であって、
第１の基板および第２の基板を提供する段階；
各々が第１の電極、圧電層、および第２の電極を含む複数の発電機部材を、第１の基板上に形成する段階；
第１の基板と第２の基板との間に複数のキャビティを形成する段階；
キャビティ内に作動流体を導入する段階；ならびに
複数のマイクロトランスデューサを形成するように、第１の基板および第２の基板を接合する段階
を含む方法。 - 第１および第２の基板からマイクロトランスデューサを分離して個々のマイクロトランスデューサを提供する段階をさらに含む、請求項２９記載の方法。
- 第１の基板と第２の基板との間に複数のキャビティを形成する段階は、中間層を提供する段階、および中間層の一部を除去して複数のキャビティを形成する段階を含み、かつ第１の基板、中間層、および第２の基板を接合して、複数のマイクロトランスデューサを形成する、請求項２９記載の方法。
- 第１の基板の一部を除去して複数の第１の膜を形成する段階、第２の基板の一部を除去して複数の第２の膜を形成する段階、および第１の膜上に発電機部材を位置付ける段階をさらに含む、請求項２９記載の方法。
- 第１の基板と第２の基板との間に複数のキャビティを形成する段階は、中間層を提供する段階、および中間層の一部を除去して複数のキャビティを形成する段階を含む方法であって、各々が第１の膜、第２の膜、第１の膜と第２の膜との間のキャビティ、およびキャビティ内に配置された流体を含む複数のマイクロトランスデューサを形成するように、第１の基板、中間層、および第２の基板を接合する段階をさらに含む、請求項３２記載の方法。
- チャンバの表面に圧電発電機を含む流体用チャンバを有するマイクロトランスデューサを用いて、電気エネルギーを生成する方法であって、
チャンバに流体を導入する段階；および
流体を膨張させ、圧電発電機をチャンバから外側に広げ、それによって圧電発電機に電気エネルギーを発生させる段階
を含む方法。 - 流体がチャンバに密封され、かつ熱エネルギーが、マイクロトランスデューサを通って高温放熱器と低温放熱器との間を流れ、流体を膨張させる、請求項３４記載の方法。
- 伝導によって熱を高温放熱器からマイクロトランスデューサ内に伝達する段階、および伝導によって熱をマイクロトランスデューサから低温放熱器に伝達する段階をさらに含む、請求項３５記載の方法。
- （ａ）圧電発電機は、外側たわみ位置と内側たわみ位置との間でたわみ可能であり、（ｂ）マイクロトランスデューサに流入する熱によって、圧電発電機が外側たわみ位置までたわみ、かつ（ｃ）マイクロトランスデューサから流出する熱によって、圧電発電機が内側たわみ位置までたわむ、請求項３５記載の方法。
- 外側たわみ位置、内側たわみ位置、および外側たわみ位置と内側たわみ位置との中間の中立非たわみ位置で、圧電発電機から電気エネルギーが除去される、請求項３７記載の方法。
- 流体が燃料を含む方法であって、燃料および酸化剤の第１の混合物をチャンバに導入する段階をさらに含み、流体を膨張させる段階が、燃料および酸化剤の第１の混合物を燃焼させて圧電発電機を広げる段階を含む、請求項３４記載の方法。
- 燃料および酸化剤の第２の混合物をチャンバに導入する段階、ならびに燃料と酸化剤の第２の混合物を燃焼させる段階をさらに含む、請求項３９記載の方法。
- 支持構造；
支持構造に結合され、支持構造に対してたわみ可能な圧電発電機；および
圧電発電機の共振機械周波数（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を減少させるような位置に圧電発電機によって保持される質量（ｍａｓｓ）
を含み、
圧電発電機が支持構造に対してたわむことによって、圧電発電機が電荷を発生する、マイクロトランスデューサ。 - 本体の揺動によって、圧電発電機が概ねその共振機械周波数でたわむように、支持構造が圧電発電機の共振機械周波数に概ね等しい所定の周波数で揺動する本体によって保持される、請求項４１記載のマイクロトランスデューサ。
- 圧電発電機は、支持構造に結合された第１の支持された末端、および第１の末端の反対側の第２の自由端を有するカンチレバーを含み、かつ質量は、圧電発電機の第２の末端の近くに位置付けられる、請求項４１記載のマイクロトランスデューサ。
- 圧電発電機は、支持構造に結合された第１および第２の末端、ならびに第１の末端と第２の末端との間に延びるたわみ可能な部分を有する可とう性の膜を含み、かつ質量は、たわみ可能な部分によって第１の末端と第２の末端のほぼ中間の位置に保持される、請求項４１記載のマイクロトランスデューサ。
- 圧電発電機は、第１および第２の電極、第１の電極と第２の電極との間に配置された圧電材料、ならびに第１および第２の電極、および圧電材料を支持する支持層を含む、請求項４１記載のマイクロトランスデューサ。
- 支持層の厚みは圧電材料の厚みよりも小さい、請求項４５記載のマイクロトランスデューサ。
- 圧電機構の共振機械周波数は約１Ｈｚと１０００Ｈｚとの間である、請求項４１記載のマイクロトランスデューサ。
- 圧電発電機を用いて運動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、
圧電発電機が本体に対して移動することができるように、圧電発電機を揺動可能体に結合する段階であって、本体の揺動によって圧電発電機が揺動して電荷が発生する段階；および
圧電発電機からの電荷を伝導する段階
を含む方法。 - 本体は所定の周波数で揺動し、かつ圧電発電機は、圧電発電機によって生成される電気エネルギーが最大になるように、本体の振動周波数に概ね等しい共振機械周波数を有するように構成される、請求項４８記載の方法。
- 揺動体が振動体である、請求項４８記載の方法。
- 電気デバイスに電荷によって電力を供給する段階をさらに含む、請求項４８記載の方法。
- 電池に再充電するように電池に電荷を向ける段階をさらに含む、請求項４８記載の方法。
- 圧電発電機の機械的共振周波数を本体の振動周波数と一致させるように圧電発電機に質量を置く段階をさらに含む、請求項４９記載の方法。
- 以下を含む、電気エネルギーを発生させる圧電装置：
第１の基板；
第１の基板に形成された複数のカンチレバー；および
各カンチレバー上に配置された各圧電ユニット。 - 複数のカンチレバーが中に形成された第２の基板、および各カンチレバー上に配置された各圧電ユニットをさらに含み、第２の基板は、第１の基板に対して上部に積み重ねられる、請求項５４記載の装置。
- 加圧された流体を受け入れるための、第１の基板と第２の基板との間に規定された少なくとも１つの流路溝（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）をさらに含む、請求項５４記載の方法。
- 第１の基板のカンチレバーは第２の基板の方へ湾曲し、かつ第２の基板のカンチレバーは第１の基板の方へ湾曲している、請求項５６記載の装置。
- 第１の基板はモノリシック体を含み、かつカンチレバーは、一端において第１の基板に接続された第１の基板の凹部を含む、請求項５４記載の装置。
- 以下を含む、電流を発生させるための装置：
支持構造；
支持構造に結合され、かつ支持構造に対してたわみ可能な圧電発電機；および
加圧下で流れる際に、圧電発電機をたわませ、電荷を発生させる流体。 - 圧電発電機を湾曲させるように圧電発電機に予め加圧する、請求項５９記載の装置。
- 圧電発電機は、支持体に結合された第１の末端、および第１の末端の反対側の第２の自由端を有する装置であって、流体用の流路（ｆｌｏｗ ｐａｔｈ）を形成する流体溝（ｆｌｕｉｄ ｃｈａｎｎｅｌ）をさらに含み、圧電発電機の第２の末端は流路内に位置付けられ、かつ流体が加圧下で流れる際は常に、それぞれ流体溝を開く第１の位置と流体溝を閉じる第２の位置との間で揺動するように構成される、請求項５９記載の装置。
- たわみ可能な部分を第１の位置と第２の位置との間で揺動させるように流体にパルスを加える（ｐｕｌｓｅ）、請求項５９記載の装置。
- 圧電発電機の共振機械周波数に等しい周波数でパルスを流体に加える、請求項６２記載の装置。
- 流体は過熱された蒸気を含む、請求項５９記載の装置。
- 以下を含む、圧電マイクロトランスデューサ：
平面を形成する支持部材；および
支持部材に結合された第１の末端、および支持部材に対してたわみ可能な反対側の第２の末端を有し、かつ支持部材の平面から離れる方向に湾曲するように予め加圧された、カンチレバー式圧電ユニット。 - 圧電ユニットは、予め加圧された層を有する、請求項６５記載のマイクロトランスデューサ。
- 予め加圧された層は、圧電材料の層を含む、請求項６６記載のマイクロトランスデューサ。
- 予め加圧された層は金属層を含む、請求項６６記載のマイクロトランスデューサ。
- 予め加圧された層は、圧縮して圧電ユニットに適用される、請求項６６記載のマイクロトランスデューサ。
- 予め加圧された層は、伸張して圧電ユニットに適用される、請求項６６記載のマイクロトランスデューサ。
- 加圧下で流れる際に、圧電ユニットの第２の末端を第１の位置から第２の位置にたわませて電荷を発生させる流体をさらに含む、請求項６５記載のマイクロトランスデューサ。
- 以下を含む、電力を発生させるための組立品であって、
加圧された作動流体／燃料の供給源；
ボイラ用の燃料としても働く作動流体／燃料を加熱するためのボイラ；
ボイラの下流に位置付けられ、かつボイラから流れる作動流体／燃料によってたわむときに電荷を発生するように構成された、第１の圧電発電機；および
第１の圧電発電機の下流に位置付けられ、かつボイラ内の作動燃料／流体を加熱するために、第１の圧電発電機から流れる作動流体／燃料を燃焼させるように構成された燃焼器。 - ボイラの下流および第１の圧電発電機の上流に位置付けられ、ボイラから流れる作動流体／燃料を過熱するように構成された、第１の過熱器をさらに含む、請求項７２記載の組立品。
- 第１の圧電発電機から流れる作動流体／燃料を過熱するために、第１の圧電発電機の下流に位置付けられる第２の過熱器、および第２の過熱器の下流に位置付けられ、第２の過熱器から流れる作動流体／燃料によってたわむときに電流を発生するように構成された、第２の圧電発電機をさらに有する、請求項７２記載の組立品。
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