JP4228583B2

JP4228583B2 - Anodic bonding structure and anodic bonding method

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Publication number: JP4228583B2
Application number: JP2002108762A
Authority: JP
Inventors: 義裕河村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003306351A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は陽極接合構造および陽極接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、化学反応の技術分野では、流体化された混合物質を流路内に設けられた触媒による化学反応（触媒反応）により、所望の流体物質を生成する化学反応装置が知られている。従来のこのような化学反応装置には、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、シリコン基板上にミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成したものがある。
【０００３】
図９は従来のこのような小型化学反応装置の一例の透過平面図を示し、図１０はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図を示したものである。この小型化学反応装置は小型のシリコン基板１を備えている。シリコン基板１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路２が形成されている。流路２の内壁面には、例えば、化学反応を行うための反応触媒層３が設けられている。
【０００４】
シリコン基板１の一面には第１ガラス基板４が接合されている。第１ガラス基板４の流路２の両端部に対応する所定の２箇所には流入口５および流出口６が設けられている。シリコン基板１の他面には、流路２に対応して蛇行した薄膜ヒータ７が設けられている。薄膜ヒータ７は、この小型化学反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路２内の反応触媒層３に所定の熱エネルギーを供給するためのものである。
【０００５】
シリコン基板１の他面には、一面の中央部（薄膜ヒータ７に対応する領域）に座ぐり加工により凹部９が形成された第２ガラス基板８の周辺部が接合されている。第２ガラス基板８は、薄膜ヒータ７を保護するほかに、薄膜ヒータ７の熱拡散を防止し、熱効率を良くするためのものである。
【０００６】
次に、上記構成の小型化学反応装置の使用例について説明する。例えば、近年、実用化に向けて研究開発が目覚ましい燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムでは、上記構成の小型化学反応装置を用いて、例えば、メタノール水溶液を気化させて得られた発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）から水素を生成して燃料電池に供給するように構成することがある
【０００７】
すなわち、薄膜ヒータ７の発熱により流路２内が所定の温度となるように加熱した状態において、上記発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が流入口５を介して流路２内に供給されると、流路２内の反応触媒層３による吸熱反応が生じて、水素と副生成物としての二酸化炭素が生成される。そして、この生成物のうち、二酸化炭素を水素から分離して除去すると、水素のみを生成することができ、これを燃料電池に供給して発電を行うようにすることができる。
【０００８】
次に、上記構成の小型化学反応装置の製造方法の一例について説明する。まず、図１１に示すように、直流電源１１の陰極に接続された陰極板１２上に、流入口５および流出口６を有する第１ガラス基板４を位置決めして載置する。次に、第１ガラス基板４上にシリコン基板１を位置合わせして載置する。この場合、シリコン基板１の下面には流路２が形成され、流路２内には反応触媒層３が設けられ、シリコン基板１の上面には薄膜ヒータ７が設けられている。
【０００９】
次に、シリコン基板１上の薄膜ヒータ７上に、直流電源１１の陽極にスイッチ１３を介して接続された陽極板１４を載置する。この場合、薄膜ヒータ７は導電性を有するので、シリコン基板１上に陽極板１４を直接載置した場合とほぼ同様の効果が得られ、別に支障はない。次に、シリコン基板１および第１ガラス基板４を４００〜６００℃程度に加熱した状態で、スイッチ１３を閉じて直流電源１１から両極板１２、１４間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。
【００１０】
すると、第１ガラス基板４内の不純物である陽イオンがシリコン基板１から離れる方向に移動し、第１ガラス基板４のシリコン基板１側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、シリコン基板１の第１ガラス基板４側の界面のシリコン原子と第１ガラス基板４のシリコン基板１側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。これにより、シリコン基板１と第１ガラス基板４とは強固に陽極接合される。
【００１１】
この場合、シリコン基板１および第１ガラス基板４を４００〜６００℃程度に加熱し、両極板１２、１４間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加するのは、第１ガラス基板４内の不純物である陽イオンがシリコン基板１から離れる方向に移動する速度を高くするためである。
【００１２】
次に、図１２に示すように、陰極板１２上に、上面に凹部９を有する第２ガラス基板８を位置決めして載置する。次に、第２ガラス基板８上に、互いに陽極接合されたシリコン基板１および第１基板４をシリコン基板１を下側として位置合わせして載置する。次に、第２ガラス基板８上に陽極板１４を載置する。次に、シリコン基板１、第１ガラス基板４および第２ガラス基板８を４００〜６００℃程度に加熱した状態で、スイッチ１３を閉じて直流電源１１から両極板１２、１４間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。すると、上記の場合と同様に、シリコン基板１と第２ガラス基板８とは強固に陽極接合される。
【００１３】
ところで、図１２において、シリコン基板１と第１ガラス基板４とについて見ると、シリコン基板１は第２ガラス基板８を介して陰極板１２に接続され、第１ガラス基板４は陽極板１４に接続されているため、２回目の陽極接合時に、シリコン基板１と第１ガラス基板４との間に１回目の陽極接合時の印加電界の方向とは逆方向の電界が印加される。このため、イオンの逆移動が発生し、シリコン基板１と第１ガラス基板４との接合強度が低下し、剥がれてしまう恐れがある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上記従来の製造方法では、１枚のシリコン基板と１枚のガラス基板との陽極接合には効果があるが、１枚のシリコン基板の両面にそれぞれガラス基板を陽極接合する場合には、２回目の陽極接合時に、１回目に陽極接合されたガラス基板がシリコン基板から剥がれてしまう恐れがあるため、１枚のシリコン基板の両面にそれぞれガラス基板を陽極接合することは困難であった。
そこで、この発明は、一の基板の両面にそれぞれ他の基板を容易に且つ確実に陽極接合することができる陽極接合構造および陽極接合方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明に係る陽極接合構造物は、第１基板と、該第１基板の一方の面の少なくとも一部に陽極接合された第２基板と、前記第１基板の他方の面の少なくとも一部に、前記第１基板と前記第２基板とを陽極接合する際の印加電界の方向と同一方向の印加電界で陽極接合を可能とする陽極接合可能層を介して陽極接合された第３基板とを備え、前記第１基板はシリコン基板からなり、前記第２基板および前記第３基板は第１ガラス基板および第２ガラス基板からなり、前記陽極接合可能層は、前記シリコン基板の他方の面の少なくとも一部に設けられたガラス層と、前記第２ガラス基板の前記シリコン基板との対向面に前記ガラス層に対応して設けられた金属層またはシリコン層とからなることを特徴とするものである。請求項５に記載の発明に係る陽極接合方法は、第１基板の一方の面の少なくとも一部に第２基板を陽極接合する工程と、前記第１基板の他方の面の少なくとも一部に第３基板を前記第１基板と前記第２基板とを陽極接合する際の印加電界の方向と同一方向の印加電界で陽極接合を可能とする陽極接合可能層を介して陽極接合する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態としての陽極接合構造を備えた小型化学反応装置の透過平面図を示し、図２はそのＡ−Ａ線に沿う断面図を示したものである。この小型化学反応装置は小型のシリコン基板２１を備えている。シリコン基板２１の寸法は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１．０ｍｍ程度である。
【００１７】
シリコン基板２１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な反応炉の一部となる流路２２が形成されている。流路２２の寸法は、一例として、幅０．２〜０．８ｍｍ程度、深さ０．２〜０．６ｍｍ程度であり、全長は３０〜１０００ｍｍ程度である。
【００１８】
流路２２の内壁面には、例えば、化学反応を行うための反応触媒層２３が設けられている。この反応触媒層２３は流路２２の内壁面全体に設けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよい。反応触媒層２３の具体的な材質については後で説明する。
【００１９】
シリコン基板２１の一面には厚さ０．７ｍｍ程度の第１ガラス基板２４が後述の如く陽極接合されている。第１ガラス基板２４の流路２２の両端部に対応する所定の２箇所には流入口２５および流出口２６が設けられている。
【００２０】
シリコン基板２１の他面にはＴａＳｉＯｘやＴａＳｉＯｘＮなどの抵抗体薄膜からなる蛇行した薄膜ヒータ２７が設けられている。膜ヒータ２７は、この小型化学反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路２２内の反応触媒層２３に所定の熱エネルギを供給するためのものである。この場合、蛇行した薄膜ヒータ２７は、蛇行した流路２２と平面的に一致させているが、一致しないようにしてもよい。また、薄膜ヒータ２７は流路２２全面を覆うようなべた状としてもよい。
【００２１】
シリコン基板２１の他面には、一面の中央部（薄膜ヒータ２７に対応する領域）に座ぐり加工により凹部２９が形成された第２ガラス基板２８の周辺部が、シリコン基板２１の他面周辺部に設けられたガラス層３０および第２ガラス基板２８のシリコン基板２１との対向面周辺部に設けられた金属層３１を介して、後述の如く陽極接合されている。第２ガラス基板２８は、薄膜ヒータ２７を保護するほかに、薄膜ヒータ２７の熱拡散を防止し、熱効率を良くするためのものである。また、凹部２９内は、断熱性能を高めるため、ほぼ真空としてもよい。
【００２２】
次に、上記構成の小型化学反応装置の製造方法の一例について説明する。まず、図３に示すように、直流電源３２の陰極に接続された陰極板３３上に、流入口２５および流出口２６を有する第１ガラス基板２４を位置決めして載置する。次に、第１ガラス基板２４上にシリコン基板２１を位置合わせして載置する。この場合、シリコン基板２１の下面には流路２２が形成され、流路２２内には反応触媒層２３が設けられ、シリコン基板２１の上面には薄膜ヒータ２７が設けられ、シリコン基板２１の上面周辺部にはガラス層３０が設けられている。
【００２３】
ここで、ガラス層３０の形成方法の一例について説明する。図３に示すシリコン基板２１の上面に薄膜ヒータ２７を形成した後に、シリコン基板２１の上面周辺部に水ガラスを印刷法やディスペンサ法などにより塗布し、乾燥させると、シリコン基板２１の上面周辺部にガラス層３０が形成される。
【００２４】
この場合、ガラス層３０の厚さは薄膜ヒータ２７の厚さと同じかそれよりも薄くしてもよく、また薄膜ヒータ２７の厚さよりも厚くしてもよい。ガラス層３０の厚さを薄膜ヒータ２７の厚さよりも厚くした場合には、後述する陽極板３５の周辺凸部３６を薄膜ヒータ２７に対応する領域のサイズとほぼ同じとすればよい。
【００２５】
いずれにしても、周辺凸部３６の高さとガラス層３０の厚さの和が薄膜ヒータ２７の厚さよりも高く設定して陽極板３５が薄膜ヒータ２７に接触しない方が、陽極接合の製造効率の点から望ましい。ガラス層３０が十分厚ければ陽極板３５に周辺凸部３６を設ける必要はないが、水ガラスの粘性を考慮すれば、ガラス層３０の高さを抑えて周辺凸部３６を設けた方が製造上の制御が容易である。また、ガラス層３０の表面は平坦となるようにする。
【００２６】
次に、薄膜ヒータ７側のシリコン基板２１上に、直流電源３２の陽極にスイッチ３４を介して接続された陽極板３５を載置する。この場合も、薄膜ヒータ７は導電性を有するので、シリコン基板２１上に陽極板３５を直接載置した場合とほぼ同様の効果が得られ、別に支障はない。次に、シリコン基板２１および第１ガラス基板２４を４００〜６００℃程度に加熱した状態で、スイッチ３４を閉じて直流電源３２から両極板３３、３５間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。
【００２７】
すると、第１ガラス基板２４内の不純物である陽イオンがシリコン基板２１から離れる方向に移動し、第１ガラス基板２４のシリコン基板２１側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、シリコン基板２１の第１ガラス基板２４側の界面のシリコン原子と第１ガラス基板２４のシリコン基板２１側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。これにより、シリコン基板２１と第１ガラス基板２４とは強固に陽極接合される。
【００２８】
この場合も、シリコン基板２１および第１ガラス基板２４を４００〜６００℃程度に加熱し、両極板３３、３５間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加するのは、第１ガラス基板２４内の不純物である陽イオンがシリコン基板２１から離れる方向に移動する速度を高くするためである。
【００２９】
次に、図３に示す状態において、陽極板３５を取り外し、次いで図４に示すように、シリコン基板２１上のガラス層３０上に、下面中央部に凹部２９が設けられた第２ガラス基板２８の下面周辺部に設けられた金属層３１を位置合わせして載置する。このとき、凹部２９により第２ガラス基板２８が薄膜ヒータ２７に接触しない方が、陽極接合の製造効率の点並びに小型化学反応装置としての流路２２内の加熱時の薄膜ヒータ２７の熱放射損失の抑制の点からも優れているので、凹部２９の凹み部分の長さとガラス層３０の厚さと金属層３１の厚さの和は、薄膜ヒータ２７の厚さより長い方が望ましい。
【００３０】
ここで、金属層３１の形成方法の一例について説明する。まず、第２ガラス基板２８の凹部２９内を含む下面全体に蒸着法やスバッタリング法などにより金属単体或いは合金を少なくとも含む金属層を成膜し、フォトリソグラフィ法により凹部２９内に成膜された金属層を除去すると、第２ガラス基板２８の下面周辺部に金属層３１が形成される。金属層３１の材質としては、ガラス層３０と陽極接合可能な金属酸化物を容易に形成しやすいＡｌやＴｉなどの金属が好ましい。なお、このような金属層３１の代わりに、ガラス層３０と陽極接合可能なシリコン層を形成するようにしてもよい。
【００３１】
次に、第２ガラス基板２８上に陽極板３５を載置する。次に、シリコン基板２１、第１ガラス基板２４および第２ガラス基板２８などを４００〜６００℃程度に加熱した状態で、スイッチ３４を閉じて直流電源３２から両極板３３、３５間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。
【００３２】
この場合、図４に示す２回目の陽極接合時の印加電界の方向は、図３に示す１回目の陽極接合時の印加電界の方向と同じである。したがって、ガラス層３０および金属層３１が無い場合には、シリコン基板２１は第１ガラス基板２４を介して陰極板３３に接続され、第２ガラス基板２８は陽極板３５に接続されるため、シリコン基板２１と第２ガラス基板２８とを陽極接合することはできない。
【００３３】
しかしながら、図４に示す場合には、シリコン基板２１と第２ガラス基板２８との間にガラス層３０および金属層３１が存在するため、ガラス層３０内の不純物である陽イオンが金属層３１から離れる方向に移動し、ガラス層３０の金属層３１側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、金属層３１のガラス層３０側の界面の金属原子とガラス層３０の金属層３１側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。そして、この強固な接合界面を有するガラス層３０および金属層３１を介して、シリコン基板２１と第２ガラス基板２８とは強固に接合される。
【００３４】
この場合も、シリコン基板２１、第１ガラス基板２４および第２ガラス基板２８などを４００〜６００℃程度に加熱し、両極板３３、３５間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加するのは、ガラス層３０内の不純物である陽イオンが金属層３１から離れる方向に移動する速度を高くするためである。
【００３５】
このように、図４に示す２回目の陽極接合時の印加電界の方向が図３に示す１回目の陽極接合時の印加電界の方向と同じであっても、シリコン基板２１の第２ガラス基板２８との対向面の周辺部にガラス層３０を設け、第２ガラス基板２８のシリコン基板２１との対向面の周辺部に金属層３１を設けているため、これらを介して、シリコン基板２１と第２ガラス基板２８とを実質的に陽極接合することができる。
【００３６】
換言すれば、ガラス層３０および金属層３１は、図４に示す２回目の陽極接合時の印加電界の方向が図３に示す１回目の陽極接合時の印加電界の方向と同じであっても、シリコン基板２１と第２ガラス基板２８との実質的な陽極接合を可能とする陽極接合可能層を構成している。
【００３７】
一方、図４において、シリコン基板２１と第１ガラス基板２４とについて見ると、シリコン基板２１はガラス層３０、金属層３１および第２ガラス基板２８を介して陽極板３５に接続され、第１ガラス基板２４は陰極板３３に接続され、このような電気的接続状態は図３に示す場合と同じである。したがって、２回目の陽極接合時には、シリコン基板２１と第１ガラス基板２４との間に１回目の陽極接合時の印加電界の方向と同一方向の電界が印加される。
【００３８】
この結果、シリコン基板２１の下面に第１ガラス基板２４を陽極接合した後に、シリコン基板２１の上面に第２ガラス基板２８をガラス層３０および金属層３１を介して陽極接合しても、シリコン基板２１と第１ガラス基板２４との１回目の強固な陽極接合をそのまま維持することができ、したがって特別な方法によらず、シリコン基板２１の両面にそれぞれ第１および第２ガラス基板２４、２８を容易に且つ確実に陽極接合することができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、図３に示すように、シリコン基板２１の下面に第１ガラス基板２４を陽極接合した後に、図４に示すように、シリコン基板２１の上面に第２ガラス基板２８を陽極接合する場合について説明したが、これとは逆に、シリコン基板２１の上面に第２ガラス基板２８を陽極接合した後に、シリコン基板２１の下面に第１ガラス基板２４を陽極接合するようにしてもよい。
【００４０】
また、例えば、図４に示す状態において、シリコン基板２１の両面にそれぞれ第１および第２ガラス基板２４、２８を同時に陽極接合するようにしてもよい。すなわち、陰極板３３上に第１ガラス基板２４およびシリコン基板２１をこの順で載置し、シリコン基板２１上のガラス層３０上に第２ガラス基板２８下の金属層３１を載置し、第２ガラス基板２８上に陽極板３５を載置する。そして、この状態において陽極酸化処理を行うと、シリコン基板２１の下面に第１ガラス基板２４が陽極接合されると同時に、シリコン基板２１上のガラス層３０に第２ガラス基板２８下の金属層３１が陽極接合される。
【００４１】
次に、上記のような構成の小型化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムに適用した場合について説明する。図５は燃料電池システム４０の一例の要部のブロック図を示したものである。この燃料電池システム４０は、燃料部４１、燃料気化部４２、改質部４３、一酸化炭素除去部４４、発電部４５、充電部４６などを備えている。
【００４２】
燃料部４１は、発電用燃料（例えばメタノール水溶液）が封入された燃料パックなどからなり、発電用燃料を燃料気化部４２に供給する。
【００４３】
燃料気化部４２は、例えば、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、流路２２内には反応触媒層２３は設けられていない。そして、燃料気化部４２は、燃料部４１からの発電用燃料が流入口２５を介して流路２２内に供給されると、流路２２内において、薄膜ヒータ２７の加熱（１２０℃程度）により、発電用燃料を気化させ、この気化された発電用燃料ガス（例えば発電用燃料がメタノール水溶液の場合、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）を流出口２６から流出させる。
【００４４】
燃料気化部４２で気化された発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）は改質部４３に供給される。この場合、改質部４３も、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、シリコン基板２１の流路２２内には反応触媒層２３が設けられ、反応触媒層２３は、例えば、Ｃｕ、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃などの改質触媒からなっている。そして、改質部４３は、燃料気化部４２からの発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が流入口２５を介して流路２２内に供給されると、流路２２内において、薄膜ヒータ２７の加熱（２８０℃程度）により、次の式（１）に示すような吸熱反応を引き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂……（１）
【００４５】
上記式（１）の左辺における水（Ｈ₂Ｏ）は、反応の初期では、燃料部４１の燃料に含まれているものでよいが、後述する発電部４５の発電に伴い生成される水を回収して改質部４３に供給するようにしてもよい。また、発電部４５の発電中の上記式（１）の左辺のおける水（Ｈ₂Ｏ）の供給源は、発電部４５のみでもよく、発電部４５および燃料部４１でも、また燃料部４１のみでもよい。なお、このとき微量ではあるが、一酸化炭素が改質部４３内で生成されることがある。
【００４６】
そして、上記式（１）の右辺の生成物（水素、二酸化炭素）および微量の一酸化炭素は改質部４３の流出口２６から流出される。改質部４３の流出口２６から流出された生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は一酸化炭素除去部４４に供給され、二酸化炭素は分離されて大気中に放出される。
【００４７】
次に、一酸化炭素除去部４４も、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、反応触媒層２３は、例えば、Ｐｔ、Ａｌ₂Ｏ₃などの選択酸化触媒からなっている。そして、一酸化炭素除去部４４は、改質部４３からの気化状態の水素および一酸化炭素が流入口２５を介して流路２２内に供給されると、薄膜ヒータ２７の加熱（１８０℃程度）により、流路２２内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸化炭素と水とが反応し、次の式（２）に示すように、水素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂……（２）
【００４８】
上記式（２）の左辺における水（Ｈ₂Ｏ）は反応の初期では、燃料部４１の燃料に含まれているものでよいが、発電部４５の発電に伴い生成される水を回収して一酸化炭素除去部４４に供給することが可能である。また、一酸化炭素除去部４４における反応式（２）の左辺のおける水の供給源は、発電部４５のみでもよく、発電部４５および燃料部４１でも、また燃料部４１のみでもよい。
【００４９】
そして、最終的に一酸化炭素除去部４４の流出口２６に到達する流体はそのほとんどが水素、二酸化炭素となる。なお、一酸化炭素除去部４４の流出口２６に到達する流体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合、残存する一酸化炭素を大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素に接触させることで、次の式（３）に示すように、二酸化炭素が生成され、これにより一酸化炭素が確実に除去される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂……（３）
【００５０】
上記一連の反応後の生成物は水素および二酸化炭素（場合によって微量の水を含む）で構成されるが、これらの生成物のうち、二酸化炭素は水素から分離されて大気中に放出される。したがって、一酸化炭素除去部４４から発電部４５には水素のみが供給される。なお、一酸化炭素除去部４４は、燃料気化部４２と改質部４３との間に設けてもよい。
【００５１】
次に、発電部４５は、図６に示すように、周知の固体高分子型の燃料電池からなっている。すなわち、発電部４５は、Ｐｔ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるカソード５１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるアノード５２と、カソード５１とアノード５２との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜５３と、を有して構成され、カソード５１とアノード５２との間に設けられた２次電池やコンデンサなどからなる充電部４６に電力を供給するものである。
【００５２】
この場合、カソード５１の外側には空間部５４が設けられている。この空間部５４内には一酸化炭素除去部４４からの水素が供給され、カソード５１に水素が供給される。また、アノード５２の外側には空間部５５が設けられている。この空間部５５内には大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノード５２酸素が供給される。
【００５３】
そして、カソード５１側では、次の式（４）に示すように、水素から電子（ｅ^-）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ⁺）が発生し、イオン導電膜５３を介してアノード５２側に通過するとともに、カソード５１により電子（ｅ^-）が取り出されて充電部４６に供給される。
３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^-……（４）
【００５４】
一方、アノード５２側では、次の式（５）に示すように、充電部４６を経由して供給された電子（ｅ^-）とイオン導電膜６３を通過した水素イオン（Ｈ⁺）と酸素とが反応して副生成物の水が生成される。
６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ……（５）
【００５５】
以上のような一連の電気化学反応（式（４）および式（５））は概ね室温〜８０℃程度の比較的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水のみとなる。発電部４５で生成された電力は充電部４６に供給され、これにより充電部４６が充電される。
【００５６】
発電部４５で生成された副生成物としての水は回収される。この場合、上述の如く、発電部４５で生成された水の少なくとも一部を改質部４３や一酸化炭素除去部４４に供給するようにすると、燃料部４１内に当初封入される水の量を減らすことができ、また回収される水の量を減らすことができる。
【００５７】
ところで、現在、研究開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料としては、少なくとも、水素元素を含む液体燃料または液化燃料または気体燃料であって、発電部４５により、比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができる燃料であればよく、上記のメタノールの他、例えば、エタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮＧ）などの液化ガスなどの常温常圧で気化される炭化水素からなる液体燃料、あるいは、水素ガスなどの気体燃料などの流体物質を良好に適用することができる。
【００５８】
なお、上記実施形態では、図２に示すように、第２ガラス基板２８の下面周辺部のみに金属層３１を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すこの発明の他の実施形態のように、第２ガラス基板２８の凹部２９内にも金属層３１ａを設けるようにしてもよい。この金属層３１ａは、熱線反射層として機能し、第２ガラス基板２８への熱伝導を抑制し、第２ガラス基板２８の外面からの放熱を抑制するためのものである。これにより、薄膜ヒータ２７の発熱によって流路２２内を加熱する際の熱エネルギー損失を抑制することができ、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００５９】
この場合、金属層３１ａは金属層３１と同一の金属、例えば、熱線反射率の高いＡｌなどの金属によって形成するようにしてもよい。このようにした場合には、第２ガラス基板２８の凹部２９を含む下面全体に蒸着法やスパッタリング法などによりＡｌなどからなる金属層を成膜するだけでよく、上記フォトリソグラフィを省略することができる。また、金属層３１ａは金属層３１とは別の金属、例えば、熱線反射率の高いＡｇなどの金属によって形成するようにしてもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、ガラス層３０を水ガラスを印刷法やディスペンサ法などにより塗布して形成したが、これに限らず、シリコン基板２１の上面周辺部を酸化することによりシリコン酸化膜を形成することでガラス層を形成することが可能となる。シリコン酸化膜の製造方法としては、まずシリコン基板２１の表面をアンモニア水溶液と過酸化水素水溶液との混合液に浸し、さらに塩酸水溶液と過酸化水素水溶液で表面処理後、乾燥させてからシリコン基板２１の上面周辺部に酸化剤を設け、この後熱酸化炉内にシリコン基板２１を配置させて熱酸化することにより、選択的にシリコン基板２１の上面周辺部にシリコン酸化膜が形成される。シリコン酸化膜は単結晶シリコンが酸化膨張するので容易に金属層３１と位置合わせることができる。そして、基板２１、２４、２８は、陽極酸化接合できるのであれば、シリコンやガラスでなくてもよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、図２に示すように、シリコン基板２１の上面周辺部にガラス層３０を設け、第２ガラス基板２８の下面周辺部に金属層３１を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すこの発明のさらに他の実施形態のように、シリコン基板２１の下面の流路２２以外の領域にガラス層３０を設け、第１ガラス基板２４の上面の流入口２５および流出口２６以外の領域に金属層３１を設けるようにしてもよい。このときもシリコン基板２１と第１ガラス基板２４、第２ガラス基板２８との間の陽極接合順はどちらでもよいし一括して陽極接合してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、この発明を小型化学反応装置に適用した場合について説明したが、これに限らず、シリコン基板の両面にそれぞれガラス基板を陽極接合するものであれば適用することができる。また、ガラス基板の両面にそれぞれシリコン基板を陽極接合するものにも適用することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第１基板の他方の面の少なくとも一部に第３基板を第１基板と第２基板とを陽極接合する際の印加電界の方向と同一方向の印加電界で陽極接合を可能とする陽極接合可能層を介して陽極接合しているので、第１基板の両面にそれぞれ第２基板および第３基板を容易に且つ確実に陽極接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態としての小型化学反応装置の透過平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】図１および図２に示す小型化学反応装置の製造に際し、当初の工程の断面図。
【図４】図３に続く工程の断面図。
【図５】小型化学反応装置を備えた燃料電池システムの一例の要部のブロック図。
【図６】図５に示す燃料電池システムの発電部および充電部の概略構成図。
【図７】この発明の他の実施形態としての小型化学反応装置の図２同様の断面図。
【図８】この発明のさらに他の実施形態としての小型化学反応装置の図２同様の断面図。
【図９】従来の小型化学反応装置の一例の透過平面図。
【図１０】図９のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図１１】図９および図１０に示す小型化学反応装置の製造に際し、当初の工程の断面図。
【図１２】図１１に続く工程の断面図。
【符号の説明】
２１シリコン基板
２２流路
２３反応触媒層
２４第１ガラス基板
２５流入口
２６流出口
２７薄膜ヒータ
２８第２ガラス基板
２９凹部
３０ガラス層
３１金属層
３２直流電源
３３陰極板
３４スイッチ
３５陽極板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an anodic bonding structure and an anodic bonding method.
[0002]
[Prior art]
For example, in the technical field of chemical reaction, a chemical reaction apparatus is known that generates a desired fluid substance by a chemical reaction (catalytic reaction) of a fluidized mixed substance by a catalyst provided in a flow path. Some of such conventional chemical reaction apparatuses have micron-order or millimeter-order flow paths formed on a silicon substrate using microfabrication techniques accumulated in semiconductor manufacturing techniques such as semiconductor integrated circuits.
[0003]
FIG. 9 shows a transmission plan view of an example of such a conventional small chemical reaction apparatus, and FIG. 10 shows a sectional view taken along the line BB. This small chemical reaction apparatus includes a small silicon substrate 1. On one surface of the silicon substrate 1, a meandering minute flow path 2 is formed by using a fine processing technique accumulated by a semiconductor manufacturing technique. On the inner wall surface of the flow path 2, for example, a reaction catalyst layer 3 for performing a chemical reaction is provided.
[0004]
A first glass substrate 4 is bonded to one surface of the silicon substrate 1. An inflow port 5 and an outflow port 6 are provided at two predetermined positions corresponding to both ends of the flow path 2 of the first glass substrate 4. On the other surface of the silicon substrate 1, a thin film heater 7 meandering corresponding to the flow path 2 is provided. The thin film heater 7 supplies predetermined thermal energy to the reaction catalyst layer 3 in the flow path 2 during the chemical reaction when the chemical reaction (catalytic reaction) in the small chemical reaction apparatus involves an endothermic reaction under a predetermined thermal condition. belongs to.
[0005]
The other surface of the silicon substrate 1 is joined to the peripheral portion of the second glass substrate 8 in which the concave portion 9 is formed by spot facing in the central portion (region corresponding to the thin film heater 7) of the one surface. In addition to protecting the thin film heater 7, the second glass substrate 8 is for preventing thermal diffusion of the thin film heater 7 and improving thermal efficiency.
[0006]
Next, a usage example of the small chemical reaction apparatus having the above configuration will be described. For example, in a fuel cell system using a fuel reforming type fuel cell whose research and development has been remarkable for practical use in recent years, it has been obtained by evaporating, for example, an aqueous methanol solution using a small chemical reactor having the above-described configuration. Fuel gas for power generation (CH _Three OH + H ₂ O) may be configured to generate hydrogen from fuel and supply it to the fuel cell
[0007]
That is, in the state where the flow path 2 is heated to a predetermined temperature by the heat generated by the thin film heater 7, the power generating fuel gas (CH _Three OH + H ₂ When O) is supplied into the flow path 2 through the inflow port 5, an endothermic reaction is generated by the reaction catalyst layer 3 in the flow path 2 to generate hydrogen and carbon dioxide as a by-product. If carbon dioxide is separated from hydrogen and removed from the product, only hydrogen can be generated, and this can be supplied to the fuel cell to generate power.
[0008]
Next, an example of a manufacturing method of the small chemical reaction apparatus having the above configuration will be described. First, as shown in FIG. 11, the first glass substrate 4 having the inlet 5 and the outlet 6 is positioned and placed on the cathode plate 12 connected to the cathode of the DC power supply 11. Next, the silicon substrate 1 is positioned and placed on the first glass substrate 4. In this case, a flow path 2 is formed on the lower surface of the silicon substrate 1, a reaction catalyst layer 3 is provided in the flow path 2, and a thin film heater 7 is provided on the upper surface of the silicon substrate 1.
[0009]
Next, the anode plate 14 connected to the anode of the DC power supply 11 via the switch 13 is placed on the thin film heater 7 on the silicon substrate 1. In this case, since the thin film heater 7 has conductivity, the same effect as that obtained when the anode plate 14 is directly placed on the silicon substrate 1 can be obtained, and there is no problem. Next, in a state where the silicon substrate 1 and the first glass substrate 4 are heated to about 400 to 600 ° C., the switch 13 is closed and a DC voltage of about 1 kV is applied from the DC power source 11 to the bipolar plates 12 and 14.
[0010]
Then, cations that are impurities in the first glass substrate 4 move away from the silicon substrate 1, and a layer having a high oxygen ion concentration appears at the interface of the first glass substrate 4 on the silicon substrate 1 side. Then, silicon atoms at the interface of the silicon substrate 1 on the first glass substrate 4 side and oxygen ions at the interface of the first glass substrate 4 on the silicon substrate 1 side are bonded to obtain a strong bonding interface. Thereby, the silicon substrate 1 and the first glass substrate 4 are strongly anodic bonded.
[0011]
In this case, it is an impurity in the first glass substrate 4 that heats the silicon substrate 1 and the first glass substrate 4 to about 400 to 600 ° C. and applies a DC voltage of about 1 kV between the bipolar plates 12 and 14. This is to increase the speed at which the positive ions move away from the silicon substrate 1.
[0012]
Next, as shown in FIG. 12, on the cathode plate 12, the 2nd glass substrate 8 which has the recessed part 9 in an upper surface is positioned and mounted. Next, the silicon substrate 1 and the first substrate 4 that are anodically bonded to each other are placed on the second glass substrate 8 with the silicon substrate 1 being the lower side. Next, the anode plate 14 is placed on the second glass substrate 8. Next, with the silicon substrate 1, the first glass substrate 4 and the second glass substrate 8 heated to about 400 to 600 ° C., the switch 13 is closed and a direct current of about 1 kV between the DC power source 11 and the bipolar plates 12 and 14 is obtained. Apply voltage. Then, similarly to the above case, the silicon substrate 1 and the second glass substrate 8 are strongly anodic bonded.
[0013]
By the way, in FIG. 12, when looking at the silicon substrate 1 and the first glass substrate 4, the silicon substrate 1 is connected to the cathode plate 12 through the second glass substrate 8, and the first glass substrate 4 is connected to the anode plate 14. Therefore, during the second anodic bonding, an electric field opposite to the direction of the applied electric field during the first anodic bonding is applied between the silicon substrate 1 and the first glass substrate 4. For this reason, reverse movement of ions occurs, and the bonding strength between the silicon substrate 1 and the first glass substrate 4 is lowered and may be peeled off.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the conventional manufacturing method is effective for anodic bonding of one silicon substrate and one glass substrate, but when anodic bonding of glass substrates to both sides of one silicon substrate is performed, At the time of the second anodic bonding, the glass substrate anodically bonded at the first time may be peeled off from the silicon substrate, so that it is difficult to anodic bond the glass substrates to both surfaces of one silicon substrate.
Therefore, an object of the present invention is to provide an anodic bonding structure and an anodic bonding method capable of easily and reliably anodically bonding other substrates to both surfaces of a single substrate.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
An anodic bonding structure according to a first aspect of the present invention includes a first substrate, a second substrate anodically bonded to at least a part of one surface of the first substrate, and the other surface of the first substrate. At least a part of the first substrate and the second substrate are anodically bonded via an anodic bondable layer that enables anodic bonding with an applied electric field in the same direction as the applied electric field when anodically bonding the first substrate and the second substrate. A third substrate, the first substrate is made of a silicon substrate, the second substrate and the third substrate are made of a first glass substrate and a second glass substrate, and the anodic bondable layer is made of the silicon substrate A glass layer provided on at least a part of the other surface, and a metal layer or a silicon layer provided corresponding to the glass layer on the surface of the second glass substrate facing the silicon substrate. It is a feature. Claim 5 An anodic bonding method according to the invention includes a step of anodic bonding a second substrate to at least a part of one surface of a first substrate, and a third substrate to at least a part of the other surface of the first substrate. And a step of anodic bonding through an anodic bondable layer that enables anodic bonding with an applied electric field in the same direction as the applied electric field when anodically bonding the substrate and the second substrate. It is.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a transmission plan view of a small chemical reaction apparatus having an anodic bonding structure as one embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a cross-sectional view along the line AA. This small chemical reaction apparatus includes a small silicon substrate 21. For example, the dimensions of the silicon substrate 21 are about 15 to 35 mm in length, about 10 to 25 mm in width, and about 0.4 to 1.0 mm in thickness.
[0017]
On one surface of the silicon substrate 21, a flow path 22 that is a part of a meandering minute reaction furnace is formed using a fine processing technique accumulated in a semiconductor manufacturing technique. The dimensions of the flow path 22 are, for example, a width of about 0.2 to 0.8 mm, a depth of about 0.2 to 0.6 mm, and a total length of about 30 to 1000 mm.
[0018]
On the inner wall surface of the flow path 22, for example, a reaction catalyst layer 23 for performing a chemical reaction is provided. The reaction catalyst layer 23 may be provided on the entire inner wall surface of the flow path 22 or may be provided partially. Specific materials for the reaction catalyst layer 23 will be described later.
[0019]
A first glass substrate 24 having a thickness of about 0.7 mm is anodically bonded to one surface of the silicon substrate 21 as will be described later. An inlet 25 and an outlet 26 are provided at two predetermined locations corresponding to both ends of the flow path 22 of the first glass substrate 24.
[0020]
On the other surface of the silicon substrate 21, a meandering thin film heater 27 made of a resistor thin film such as TaSiOx or TaSiOxN is provided. The membrane heater 27 supplies predetermined thermal energy to the reaction catalyst layer 23 in the flow path 22 during the chemical reaction when the chemical reaction (catalytic reaction) in the small chemical reaction apparatus involves an endothermic reaction under a predetermined thermal condition. belongs to. In this case, the meandering thin film heater 27 is made to coincide with the meandering flow path 22 in a plan view, but may not be coincident. The thin film heater 27 may have a solid shape covering the entire surface of the flow path 22.
[0021]
On the other surface of the silicon substrate 21, the peripheral portion of the second glass substrate 28 in which the concave portion 29 is formed by spot facing in the central portion (region corresponding to the thin film heater 27) of one surface is the periphery of the other surface of the silicon substrate 21. Anodically bonded as will be described later via a glass layer 30 provided in the portion and a metal layer 31 provided in the peripheral portion of the second glass substrate 28 facing the silicon substrate 21. In addition to protecting the thin film heater 27, the second glass substrate 28 is for preventing thermal diffusion of the thin film heater 27 and improving thermal efficiency. Further, the inside of the concave portion 29 may be almost vacuumed in order to improve the heat insulating performance.
[0022]
Next, an example of a manufacturing method of the small chemical reaction apparatus having the above configuration will be described. First, as shown in FIG. 3, the first glass substrate 24 having the inlet 25 and the outlet 26 is positioned and placed on the cathode plate 33 connected to the cathode of the DC power supply 32. Next, the silicon substrate 21 is positioned and placed on the first glass substrate 24. In this case, a channel 22 is formed on the lower surface of the silicon substrate 21, a reaction catalyst layer 23 is provided in the channel 22, a thin film heater 27 is provided on the upper surface of the silicon substrate 21, and an upper surface of the silicon substrate 21 is provided. A glass layer 30 is provided at the periphery.
[0023]
Here, an example of a method for forming the glass layer 30 will be described. After forming the thin film heater 27 on the upper surface of the silicon substrate 21 shown in FIG. 3, when water glass is applied to the periphery of the upper surface of the silicon substrate 21 by a printing method or a dispenser method and dried, the periphery of the upper surface of the silicon substrate 21 is obtained. A glass layer 30 is formed.
[0024]
In this case, the thickness of the glass layer 30 may be equal to or less than the thickness of the thin film heater 27, or may be greater than the thickness of the thin film heater 27. When the thickness of the glass layer 30 is made larger than the thickness of the thin film heater 27, the peripheral convex portion 36 of the anode plate 35 described later may be made substantially the same as the size of the region corresponding to the thin film heater 27.
[0025]
In any case, the production efficiency of anodic bonding is such that the sum of the height of the peripheral convex portion 36 and the thickness of the glass layer 30 is set higher than the thickness of the thin film heater 27 and the anode plate 35 does not contact the thin film heater 27. From the point of view is desirable. If the glass layer 30 is sufficiently thick, it is not necessary to provide the peripheral convex portion 36 on the anode plate 35. However, in consideration of the viscosity of the water glass, it is preferable to suppress the height of the glass layer 30 and provide the peripheral convex portion 36. Easy manufacturing control. Further, the surface of the glass layer 30 is made flat.
[0026]
Next, the anode plate 35 connected to the anode of the DC power source 32 via the switch 34 is placed on the silicon substrate 21 on the thin film heater 7 side. Also in this case, since the thin film heater 7 has conductivity, the same effect as that obtained when the anode plate 35 is directly placed on the silicon substrate 21 can be obtained, and there is no problem. Next, in a state where the silicon substrate 21 and the first glass substrate 24 are heated to about 400 to 600 ° C., the switch 34 is closed and a DC voltage of about 1 kV is applied from the DC power source 32 between the bipolar plates 33 and 35.
[0027]
Then, cations that are impurities in the first glass substrate 24 move away from the silicon substrate 21, and a layer having a high oxygen ion concentration appears at the interface of the first glass substrate 24 on the silicon substrate 21 side. Then, silicon atoms at the interface of the silicon substrate 21 on the first glass substrate 24 side and oxygen ions at the interface of the first glass substrate 24 on the silicon substrate 21 side are bonded, and a strong bonding interface is obtained. Thereby, the silicon substrate 21 and the first glass substrate 24 are strongly anodic bonded.
[0028]
Also in this case, the silicon substrate 21 and the first glass substrate 24 are heated to about 400 to 600 ° C., and a DC voltage of about 1 kV is applied between the bipolar plates 33 and 35 due to impurities in the first glass substrate 24. This is to increase the speed at which a certain cation moves away from the silicon substrate 21.
[0029]
Next, in the state shown in FIG. 3, the anode plate 35 is removed, and then, as shown in FIG. 4, the second glass substrate 28 in which the concave portion 29 is provided in the center of the lower surface on the glass layer 30 on the silicon substrate 21. The metal layer 31 provided on the lower surface periphery of the substrate is aligned and placed. At this time, if the second glass substrate 28 is not in contact with the thin film heater 27 due to the concave portion 29, the heat radiation loss of the thin film heater 27 at the time of heating in the flow path 22 as a small chemical reaction device, as well as the production efficiency of anodic bonding. Therefore, it is desirable that the sum of the length of the concave portion of the concave portion 29, the thickness of the glass layer 30 and the thickness of the metal layer 31 is longer than the thickness of the thin film heater 27.
[0030]
Here, an example of a method for forming the metal layer 31 will be described. First, a metal layer containing at least a single metal or an alloy is formed on the entire lower surface including the inside of the concave portion 29 of the second glass substrate 28 by vapor deposition or sputtering, and is formed in the concave portion 29 by photolithography. When the metal layer is removed, the metal layer 31 is formed around the lower surface of the second glass substrate 28. The material of the metal layer 31 is preferably a metal such as Al or Ti that can easily form a metal oxide capable of anodic bonding with the glass layer 30. Instead of the metal layer 31, a silicon layer that can be anodic bonded to the glass layer 30 may be formed.
[0031]
Next, the anode plate 35 is placed on the second glass substrate 28. Next, in a state where the silicon substrate 21, the first glass substrate 24, the second glass substrate 28, etc. are heated to about 400-600 ° C., the switch 34 is closed and the DC power source 32 is connected to the bipolar plates 33, 35 at about 1 kV. Apply DC voltage.
[0032]
In this case, the direction of the applied electric field during the second anodic bonding shown in FIG. 4 is the same as the direction of the applied electric field during the first anodic bonding shown in FIG. Accordingly, in the absence of the glass layer 30 and the metal layer 31, the silicon substrate 21 is connected to the cathode plate 33 via the first glass substrate 24, and the second glass substrate 28 is connected to the anode plate 35. The substrate 21 and the second glass substrate 28 cannot be anodically bonded.
[0033]
However, in the case shown in FIG. 4, since the glass layer 30 and the metal layer 31 exist between the silicon substrate 21 and the second glass substrate 28, cations that are impurities in the glass layer 30 are extracted from the metal layer 31. It moves in the direction of leaving, and a layer having a high oxygen ion concentration appears at the interface of the glass layer 30 on the metal layer 31 side. Then, the metal atoms at the interface of the metal layer 31 on the glass layer 30 side and the oxygen ions at the interface of the glass layer 30 on the metal layer 31 side are combined to obtain a strong bonding interface. The silicon substrate 21 and the second glass substrate 28 are firmly bonded via the glass layer 30 and the metal layer 31 having the strong bonding interface.
[0034]
Also in this case, the silicon substrate 21, the first glass substrate 24, the second glass substrate 28, etc. are heated to about 400 to 600 ° C., and a DC voltage of about 1 kV is applied between the bipolar plates 33 and 35. This is to increase the speed at which the cation, which is an impurity in 30, moves away from the metal layer 31.
[0035]
As described above, even if the direction of the applied electric field at the second anodic bonding shown in FIG. 4 is the same as the direction of the applied electric field at the first anodic bonding shown in FIG. Since the glass layer 30 is provided in the periphery of the surface facing the substrate 28 and the metal layer 31 is provided in the periphery of the surface of the second glass substrate 28 facing the silicon substrate 21, the silicon substrate 21 and the The second glass substrate 28 can be substantially anodically bonded.
[0036]
In other words, in the glass layer 30 and the metal layer 31, the direction of the applied electric field at the second anodic bonding shown in FIG. 4 is the same as the direction of the applied electric field at the first anodic bonding shown in FIG. An anodic bondable layer that enables substantial anodic bonding between the silicon substrate 21 and the second glass substrate 28 is formed.
[0037]
On the other hand, in FIG. 4, when the silicon substrate 21 and the first glass substrate 24 are viewed, the silicon substrate 21 is connected to the anode plate 35 through the glass layer 30, the metal layer 31, and the second glass substrate 28, and the first glass The substrate 24 is connected to the cathode plate 33, and such an electrical connection state is the same as that shown in FIG. Accordingly, during the second anodic bonding, an electric field in the same direction as the direction of the applied electric field during the first anodic bonding is applied between the silicon substrate 21 and the first glass substrate 24.
[0038]
As a result, after the first glass substrate 24 is anodically bonded to the lower surface of the silicon substrate 21, the second glass substrate 28 is anodically bonded to the upper surface of the silicon substrate 21 via the glass layer 30 and the metal layer 31. 21 and the first glass substrate 24 can be maintained in the first strong anodic bonding as they are, so that the first and second glass substrates 24 and 28 are respectively formed on both sides of the silicon substrate 21 without using a special method. Anodizing can be performed easily and reliably.
[0039]
In the above embodiment, as shown in FIG. 3, after the first glass substrate 24 is anodically bonded to the lower surface of the silicon substrate 21, the second glass substrate 28 is placed on the upper surface of the silicon substrate 21 as shown in FIG. Although the case of anodic bonding has been described, conversely, after the second glass substrate 28 is anodic bonded to the upper surface of the silicon substrate 21, the first glass substrate 24 is anodic bonded to the lower surface of the silicon substrate 21. Also good.
[0040]
Further, for example, in the state shown in FIG. 4, the first and second glass substrates 24 and 28 may be simultaneously anodically bonded to both surfaces of the silicon substrate 21. That is, the first glass substrate 24 and the silicon substrate 21 are placed in this order on the cathode plate 33, the metal layer 31 below the second glass substrate 28 is placed on the glass layer 30 on the silicon substrate 21, and the first 2 Place the anode plate 35 on the glass substrate 28. When anodizing is performed in this state, the first glass substrate 24 is anodically bonded to the lower surface of the silicon substrate 21 and at the same time, the metal layer 31 below the second glass substrate 28 is formed on the glass layer 30 on the silicon substrate 21. Is anodically bonded.
[0041]
Next, a case where the small chemical reaction apparatus having the above-described configuration is applied to a fuel cell system using a fuel reforming type fuel cell will be described. FIG. 5 shows a block diagram of a main part of an example of the fuel cell system 40. The fuel cell system 40 includes a fuel unit 41, a fuel vaporization unit 42, a reforming unit 43, a carbon monoxide removal unit 44, a power generation unit 45, a charging unit 46, and the like.
[0042]
The fuel unit 41 includes a fuel pack in which a power generation fuel (for example, aqueous methanol solution) is sealed, and supplies the power generation fuel to the fuel vaporization unit 42.
[0043]
The fuel vaporization part 42 has a structure as shown in FIGS. 1 and 2, for example. However, in this case, the reaction catalyst layer 23 is not provided in the flow path 22. Then, when the fuel for power generation from the fuel unit 41 is supplied into the flow path 22 through the inlet 25, the fuel vaporization section 42 is heated by the thin film heater 27 (about 120 ° C.) in the flow path 22. The power generation fuel is vaporized, and the vaporized power generation fuel gas (for example, when the power generation fuel is a methanol aqueous solution, CH _Three OH + H ₂ O) is discharged from the outlet 26.
[0044]
Fuel gas for power generation (CH) vaporized by the fuel vaporization unit 42 _Three OH + H ₂ O) is supplied to the reforming unit 43. In this case, the reforming part 43 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, a reaction catalyst layer 23 is provided in the flow path 22 of the silicon substrate 21, and the reaction catalyst layer 23 is formed of, for example, Cu, ZnO, Al ₂ O _Three It consists of reforming catalysts such as. Then, the reforming unit 43 generates power generation fuel gas (CH from the fuel vaporization unit 42). _Three OH + H ₂ When O) is supplied into the flow path 22 through the inlet 25, the endothermic reaction shown in the following formula (1) is caused in the flow path 22 by heating the thin film heater 27 (about 280 ° C.). To produce hydrogen and by-product carbon dioxide.
CH _Three OH + H ₂ O → 3H ₂ + CO ₂ ...... (1)
[0045]
Water on the left side of the above formula (1) (H ₂ O) may be contained in the fuel of the fuel unit 41 at the initial stage of the reaction, but water generated by the power generation of the power generation unit 45 described later is recovered and supplied to the reforming unit 43. May be. Further, water (H on the left side of the above formula (1) during power generation by the power generation unit 45 is generated. ₂ The supply source of O) may be only the power generation unit 45, the power generation unit 45 and the fuel unit 41, or only the fuel unit 41. In addition, although it is a trace amount at this time, carbon monoxide may be produced | generated in the modification part 43. FIG.
[0046]
Then, the product (hydrogen, carbon dioxide) and a small amount of carbon monoxide on the right side of the formula (1) flow out from the outlet 26 of the reforming unit 43. Among the products flowing out from the outlet 26 of the reforming unit 43, vaporized hydrogen and carbon monoxide are supplied to the carbon monoxide removing unit 44, and carbon dioxide is separated and released into the atmosphere.
[0047]
Next, the carbon monoxide removal unit 44 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, the reaction catalyst layer 23 is, for example, Pt, Al ₂ O _Three It consists of a selective oxidation catalyst. The carbon monoxide removing unit 44 heats the thin film heater 27 (about 180 ° C.) when hydrogen and carbon monoxide from the reforming unit 43 are supplied into the flow path 22 through the inflow port 25. ), Carbon monoxide reacts with water out of hydrogen, carbon monoxide, and water supplied into the flow path 22, and as shown in the following equation (2), hydrogen and carbon dioxide as a by-product And are generated.
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂ (2)
[0048]
Water on the left side of the above formula (2) (H ₂ O) may be contained in the fuel of the fuel unit 41 at the initial stage of the reaction, but it is possible to collect water generated by the power generation of the power generation unit 45 and supply it to the carbon monoxide removal unit 44. It is. Further, the water supply source in the left side of the reaction formula (2) in the carbon monoxide removal unit 44 may be only the power generation unit 45, the power generation unit 45 and the fuel unit 41, or only the fuel unit 41.
[0049]
And most of the fluid finally reaching the outlet 26 of the carbon monoxide removing unit 44 is hydrogen and carbon dioxide. In addition, when a trace amount of carbon monoxide is contained in the fluid reaching the outlet 26 of the carbon monoxide removing unit 44, the remaining carbon monoxide is converted into oxygen taken in from the atmosphere via a check valve. By contacting, carbon dioxide is generated as shown in the following formula (3), and thus carbon monoxide is reliably removed.
CO + (1/2) O ₂ → CO ₂ ...... (3)
[0050]
The product after the series of reactions is composed of hydrogen and carbon dioxide (including a trace amount of water in some cases). Among these products, carbon dioxide is separated from hydrogen and released into the atmosphere. Therefore, only hydrogen is supplied from the carbon monoxide removal unit 44 to the power generation unit 45. The carbon monoxide removal unit 44 may be provided between the fuel vaporization unit 42 and the reforming unit 43.
[0051]
Next, as shown in FIG. 6, the power generation unit 45 includes a known solid polymer fuel cell. That is, the power generation unit 45 includes a cathode 51 made of a carbon electrode to which a catalyst such as Pt and C is attached, an anode 52 made of a carbon electrode to which a catalyst such as Pt, Ru and C is attached, and a cathode 51 and an anode 52. A film-like ion conductive film 53 interposed between and a power supply to a charging unit 46 including a secondary battery or a capacitor provided between the cathode 51 and the anode 52. To do.
[0052]
In this case, a space portion 54 is provided outside the cathode 51. Hydrogen is supplied from the carbon monoxide removing unit 44 into the space 54 and hydrogen is supplied to the cathode 51. A space 55 is provided outside the anode 52. In this space part 55, oxygen taken in from the atmosphere via a check valve is supplied, and anode 52 oxygen is supplied.
[0053]
On the cathode 51 side, as shown in the following formula (4), electrons (e ^- ) Separated hydrogen ions (protons; H ⁺ ) Are generated and pass through the ion conductive film 53 to the anode 52 side, and electrons (e ^- ) Is taken out and supplied to the charging unit 46.
3H ₂ → 6H ⁺ + 6e ^- (4)
[0054]
On the other hand, on the anode 52 side, as shown in the following formula (5), the electrons (e ^- ) And hydrogen ions (H ⁺ ) And oxygen react to produce by-product water.
6H ⁺ + (3/2) O ₂ + 6e ^- → 3H ₂ O ...... (5)
[0055]
The series of electrochemical reactions as described above (formula (4) and formula (5)) proceed in a relatively low temperature environment of about room temperature to about 80 ° C., and by-products other than electric power are basically water. It becomes only. The electric power generated by the power generation unit 45 is supplied to the charging unit 46, whereby the charging unit 46 is charged.
[0056]
Water as a by-product generated in the power generation unit 45 is recovered. In this case, as described above, when at least a part of the water generated in the power generation unit 45 is supplied to the reforming unit 43 and the carbon monoxide removal unit 44, the amount of water initially sealed in the fuel unit 41 And the amount of recovered water can be reduced.
[0057]
By the way, the fuel applied to the fuel cell of the fuel reforming method currently being researched and developed is at least a liquid fuel, a liquefied fuel or a gaseous fuel containing hydrogen element, Any fuel can be used as long as it can generate electric energy with a relatively high energy conversion efficiency. In addition to the above methanol, alcohol-based liquid fuels such as ethanol and butanol, dimethyl ether, isobutane, and natural gas (CNG) It is possible to satisfactorily apply a fluid substance such as a liquid fuel made of hydrocarbons vaporized at normal temperature and pressure, such as a liquefied gas, or a gaseous fuel such as hydrogen gas.
[0058]
In the above embodiment, as shown in FIG. 2, the case where the metal layer 31 is provided only on the periphery of the lower surface of the second glass substrate 28 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the metal layer 31a may be provided in the recess 29 of the second glass substrate 28 as in another embodiment of the present invention shown in FIG. This metal layer 31 a functions as a heat ray reflective layer, suppresses heat conduction to the second glass substrate 28, and suppresses heat radiation from the outer surface of the second glass substrate 28. Thereby, the thermal energy loss at the time of heating the inside of the flow path 22 with the heat_generation | fever of the thin film heater 27 can be suppressed, and the utilization efficiency of energy can be improved.
[0059]
In this case, the metal layer 31a may be formed of the same metal as the metal layer 31, for example, a metal such as Al having a high heat ray reflectivity. In such a case, it is only necessary to form a metal layer made of Al or the like on the entire lower surface including the concave portion 29 of the second glass substrate 28 by vapor deposition or sputtering, and the photolithography can be omitted. it can. The metal layer 31a may be formed of a metal different from the metal layer 31, for example, a metal such as Ag having a high heat ray reflectivity.
[0060]
In the above embodiment, the glass layer 30 is formed by applying water glass by a printing method, a dispenser method, or the like. However, the present invention is not limited to this, and a silicon oxide film is formed by oxidizing the periphery of the upper surface of the silicon substrate 21. By doing so, it becomes possible to form a glass layer. As a method for producing a silicon oxide film, first, the surface of the silicon substrate 21 is immersed in a mixed solution of an aqueous ammonia solution and an aqueous hydrogen peroxide solution, surface treated with an aqueous hydrochloric acid solution and an aqueous hydrogen peroxide solution, dried, and then dried. A silicon oxide film is selectively formed on the periphery of the upper surface of the silicon substrate 21 by providing an oxidizing agent in the periphery of the upper surface of the silicon substrate, and then performing thermal oxidation by placing the silicon substrate 21 in the thermal oxidation furnace. The silicon oxide film can be easily aligned with the metal layer 31 because the single crystal silicon is oxidized and expanded. The substrates 21, 24, and 28 may not be silicon or glass as long as they can be anodically bonded.
[0061]
In the above embodiment, as shown in FIG. 2, the case where the glass layer 30 is provided in the periphery of the upper surface of the silicon substrate 21 and the metal layer 31 is provided in the periphery of the lower surface of the second glass substrate 28 has been described. It is not limited to this. For example, as in still another embodiment of the present invention shown in FIG. 8, a glass layer 30 is provided in a region other than the flow path 22 on the lower surface of the silicon substrate 21, and the inlet 25 and the flow on the upper surface of the first glass substrate 24. The metal layer 31 may be provided in a region other than the outlet 26. Also in this case, the order of anodic bonding between the silicon substrate 21 and the first glass substrate 24 and the second glass substrate 28 may be either, or anodic bonding may be performed collectively.
[0062]
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where this invention was applied to a small chemical reaction apparatus, it can apply if not only this but a glass substrate is anodically bonded to both surfaces of a silicon substrate, respectively. Further, the present invention can also be applied to those in which a silicon substrate is anodically bonded to both surfaces of a glass substrate.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the third substrate is attached to at least a part of the other surface of the first substrate in the same direction as the direction of the applied electric field when the first substrate and the second substrate are anodically bonded. Through an anodic bondable layer that enables anodic bonding with an applied electric field Since it is anodically bonded, the first substrate The second substrate and the third substrate can be easily and reliably anodically bonded to both surfaces.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a transparent plan view of a small chemical reaction apparatus as an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 is a cross-sectional view of an initial process in manufacturing the small chemical reaction device shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 4 is a sectional view of a step following FIG. 3;
FIG. 5 is a block diagram of a main part of an example of a fuel cell system including a small chemical reaction device.
6 is a schematic configuration diagram of a power generation unit and a charging unit of the fuel cell system shown in FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 of a small chemical reaction apparatus as another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view similar to FIG. 2 of a small chemical reaction apparatus as still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a transmission plan view of an example of a conventional small chemical reaction apparatus.
10 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
11 is a cross-sectional view of an initial step in manufacturing the small chemical reaction device shown in FIGS. 9 and 10. FIG.
FIG. 12 is a sectional view of a step following FIG.
[Explanation of symbols]
21 Silicon substrate
22 Flow path
23 Reaction catalyst layer
24 First glass substrate
25 Inlet
26 Outlet
27 Thin film heater
28 Second glass substrate
29 recess
30 glass layers
31 metal layers
32 DC power supply
33 Cathode plate
34 switch
35 Anode plate

Claims

A first substrate; a second substrate anodically bonded to at least a portion of one surface of the first substrate; and at least a portion of the other surface of the first substrate to the first substrate and the second substrate. A third substrate that is anodically bonded through an anodic bondable layer that enables anodic bonding with an applied electric field in the same direction as the direction of the applied electric field when anodically bonding
The first substrate is made of a silicon substrate, the second substrate and the third substrate are made of a first glass substrate and a second glass substrate,
The anodic bondable layer is provided corresponding to the glass layer on the surface of the second glass substrate facing the silicon substrate and the glass layer provided on at least a part of the other surface of the silicon substrate. An anodic bonding structure comprising a metal layer or a silicon layer.

2. The anodic bonding structure according to claim 1, wherein a minute reaction furnace is formed on one surface of the first substrate .

2. The anodic bonding structure according to claim 1, wherein a thin film heater is provided on the other surface of the first substrate.

4. The thin film heater according to claim 3, wherein the thin film heater is provided on the other surface of the first substrate on at least a part of the surface of the third substrate that is to be joined to the other surface of the first substrate. An anodic bonding structure , wherein a concave portion is provided so as not to contact the third substrate .

A step of anodic bonding a second substrate to at least a portion of one surface of the first substrate; a third substrate on at least a portion of the other surface of the first substrate; and the first substrate and the second substrate. And a step of anodic bonding via an anodic bondable layer capable of anodic bonding with an applied electric field in the same direction as the direction of the applied electric field when anodic bonding is performed.

6. The anodic bonding method according to claim 5 , wherein the second substrate and the third substrate are simultaneously anodically bonded to one surface and the other surface of the first substrate, respectively.

In the invention according to claim 5 or 6, wherein the first substrate is a silicon substrate, and the second substrate and the third substrate are anodic joining method characterized by comprising the first glass substrate and the second glass substrate .

The invention according to claim 7 , wherein the anodic bondable layer is formed on a surface of the second glass substrate facing the silicon substrate and a glass layer provided on at least a part of the other surface of the silicon substrate. An anodic bonding method comprising a metal layer or a silicon layer provided corresponding to a glass layer.