JP5266472B2 - 無接点マイクロリレー - Google Patents

Description

本発明は、数ミリアンペア以上の電流が流れる電気回路に用いることができる無接点マイクロリレーに関する技術である。

数マイクロアンペア以下の微小電流が流れる電子回路のリレーには、固体素子が使われており電子回路の集積化を可能にしている。しかし、電気回路には機械式接点リレーが使われている。その理由は、電気回路には数ミリアンペア以上の電流を流す必要があること、リレーのオフ状態ではリーク電流が流れないことが必要であるために機械式接点リレーが使われている。
近年のデバイスの小型化ニーズに対応するためにＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を利用して、機械要素部品、センサー、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板上に集積化したデバイスが開発されている。その場合には機械接点リレーも可能な限り小型化する必要がある。半導体製造技術を用いたマイクロ加工技術による接点の撓み梁の工夫（例えば特開２００３−２０３５４９）や固体素子を並列に組み込むことにより感度アップする工夫（例えば、特開２００３−２１７４２３、特開２００６−２２８７１７）等により、例えば ２．５×４．０×１．３ｍｍのＭＥＭＳリレーが開発され、携帯電話の小型化を可能にした。しかし、微細加工による製造コストの上昇と機械式接点であるための基本的弱点（接点のばたつき、寿命）を解消するのは限界に達している。

本発明はそのニーズに応えたものであり、この発明によってＭＥＭＳのネックの一つであったリレーの無接点化とその微細加工の必要性を無くすことを課題とする。

本発明者は機械式接点リレーに匹敵するスイッチング特性が固体素子によって得られることを知見し、これを利用して以下に示す無接点マイクロリレーを開発した。

発明１の無接点マイクロリレーは、入力端子における電圧変化によって生じるリレー素子のＯＮ−ＯＦＦにより出力端子からの電力をＯＮ−ＯＦＦし、１０ミリアンペア以上の電流が流れる無接点マイクロリレーであって、前記リレー素子が、一個の下部電極である導電性基板上に絶縁性材料により形成された、複数のナノホールが前記導電性基板に対して垂直に存在し、隔壁が配列した垂直ナノ構造を有する絶縁性膜と、その絶縁性膜表面に形成した一個の上部電極とにより構成されたリレー素子であって、前記隔壁が内層と外層とからなり、前記内層と前記外層の境界に酸素配位欠陥が形成されていることを特徴とする。 発明２の無接点マイクロリレーは、発明１の無接点マイクロリレーにおいて、前記リレー素子は、アルミニウムを導電性基板とし、その表面に酸化アルミニウムの垂直ナノ構造を有する絶縁性膜が形成され、その絶縁性膜の表面に蒸着電極が設けられてなることを特徴とする。

例えば、１×１×１ｍｍの大きさで、従来の半導体を使った素子は少数キャリアによる電気伝導であるために、オン電流が小さく、ドーピングされた不純物によるリーク電流の発生が不可避であった。本発明の素子は半導体デバイスではなく、強相関電子系デバイスである。つまり、半導体のように熱励起されて発生した少数キャリアによる伝導ではなく、電極から注入された多数キャリアの電子による金属伝導である。オフ状態は不純物を添加しない絶縁性膜による絶縁状態である。そのためにオン・オフ抵抗比は６桁以上になり、機械式接点リレーに匹敵するスイッチング特性が得られる。
また、垂直ナノ構造は、化学的な処理により得られるものであるから、ＭＥＭＳリレーのような微細加工は全く不要であり、これらに比べて生産性が桁違いに高い。さらに、材料としてアルミを用いることにより、生産性がＭＥＭＳリレーの１００倍以上に見込むことが可能である。

図１は、リレー素子に用いたアルミニウム陽極酸化膜の断面写真（透過型電子顕微鏡写真）である。
図２は、リレー素子に用いたアルミニウム陽極酸化膜の表面写真（走査型電子顕微鏡写真）である。
図３は、リレー素子の断面模式図である
図４は、リレー素子の外観を示す写真である
図５は、リレー素子の電流―電圧特性を示すグラフである。
図６は、電流―電圧特性の測定回路を示す回路図である。
図７は、自己保持型電磁リレーの回路図である。
図８は、素子リレーの実施例を示す回路図である。
図９は、アルミニウム酸化膜厚とオン電圧の関係を示すグラフである。
図１０は、比較例１の電流―電圧特性を示すグラフである。
図１１は、比較例２の電流―電圧特性を示すグラフである。
図１２は、リレー素子の断面模式図（オフ状態）である。
図１３は、ポーラスアルミニウム酸化膜の平面スライス透過型電子顕微鏡写真である。
図１４は、リレー素子の断面模式図（オン状態）である。
図１５は、電荷がチャージされた状態のアルミニウム酸化膜表面（走査型電顕写真）である。
図１６は、２ステップ陽極酸化法を示す系統図である。

符号の説明

（１）リレー素子 （２）上部蒸着電極 （３）陽極酸化膜
（４）地金 （５）蒸着電極側リード線 （６）地金側リード線
（３１）ナノホール （３２）隔壁
（３２Ａ）隔壁内層 （３２Ｂ）隔壁外層
（４０）素子リレー （４１Ａ）入力端子Ａ （４１Ｂ）入力端子Ｂ
（４２）出力端子
（５０）電磁リレー （５１）オン・コイル （５２）リレー接点
（５３Ａ）入力端子Ａ （５３Ｂ）入力端子Ｂ （５３Ｃ）入力端子Ｃ
（５４）オフ・コイル （５５）出力端子
（Ｈ）陽極酸化膜の厚さ
（Ｌ）ナノホールのピッチ
（Ｇ）高密度の酸素配位欠陥が形成された境界層
（Ｅ）酸素配位欠陥に捕捉された電子 （ＣＨ）導通チャンネル
（Ｆ１）オフ電位 （Ｆ２）オフ範囲
（Ｎ１）オン電位 （Ｎ２）オン範囲
（ＲＶ）リレー使用電圧範囲

図９から酸化膜厚とオン状態にスイッチングするオン電圧の関係は明らかであり、酸化膜厚の一般的な範囲は１〜０．１μｍであり、好ましくは０．８〜０．１μｍ、より好ましくは０．６〜０．１５μｍである。アルミニウム基板に垂直なナノホールのピッチは、２０〜２００ｎｍの範囲であれば、スイッチング特性に影響しない。
材質に関する条件としては、▲１▼酸化膜が絶縁性であること、▲２▼基板は導電性があり、▲３▼陽極酸化によって形成されるナノホールが基板に対して垂直であれば、アルミニウム以外の金属も利用可能である。例えば錫やインジュウムは、酸化物が絶縁性でないために利用できないが、チタンは▲１▼、▲２▼、▲３▼の条件を満たしており、利用可能である。
酸化膜を上記の好ましい膜厚にする手段は、陽極酸化の処理時間と電解液の温度で制御でき、実施例を表１に示す。
陽極酸化に使用する電解液は、下記の実施例に示した蓚酸以外に、０．２〜０．５モル％の濃度であれば硫酸や燐酸でもよい。
なお、本実施例では、オン電流２５ミリアンペア、オフ電流（リーク電流）４ナノアンペアのスイッチング特性が得られるか否かを目安に評価したが、必ずしもこれに限定されるものではない。要は、従来の機械式接点リレーでしか達成できないとされていた特性を本発明の無接点マイクロリレーが発揮するものは、いずれも本発明の範疇に含まれるものである。

図１６に示すように、以下の手順でリレー素子（１）用の基板を作成した。
（ＳＴ１）：厚さ１ｍｍ、純度９９．９９％のアルミニウム（Ａｌ）を０．３モル％蓚酸（純水５００ｍｌに蓚酸１３．６ｇを溶かす）の電解液の陽極とし、カーボン電極を陰極として、２０℃、４０Ｖの定温・定電圧下で、スタラーで攪拌しながら陽極酸化を行う。開始直後は、アルミニウム表面全面に均一にトンネル電流が流れ、均一に酸化膜が形成される。しかし膜厚が３０ｎｍ程度以上に増加するとトンネル電流が流れ難くなり、局所的に電流が流れてその部分の酸化膜の温度が上昇し、その表面が蓚酸によって溶解され凹んだ状態になる。その後は凹み部分の酸化膜は薄いので、選択的に電流がその部分を流れてアルミニウムの酸化と酸化アルミニウムの溶解が同時進行して凹みが深くなる。最初の凹みはランダムに発生するが時間の経過と共に、凹みが淘汰され、電圧４０Ｖの場合には、３０分程度経過すると、凹みのピッチはほぼ１００ｎｍに揃ってくる。
（ＳＴ２）：この状態（２０℃、４０Ｖの定温・定電圧下）で６時間、スタラーで攪拌しながら陽極酸化して表面に陽極酸化膜（Ａｌ１）を形成する。
（ＳＴ３）：クロム酸と燐酸の混合液（純水５００ｍｌに酸化クロム７．８ｇを溶かし、燐酸１７．５ｍｌ．を混合した溶解液）に上記の陽極酸化したアルミニウム板を浸漬してスタラーで攪拌しながら１時間、液温を６０℃に保って溶解処理を行う。この処理によって陽極酸化膜（Ａｌ１）は全て溶解除去され、残ったアルミニウム表面には、ほぼ１００ｎｍの等ピッチで深さ２０ｎｍの凹が規則的に配列した状態になる。
（ＳＴ４）：このアルミニウム板を純水中で超音波洗浄したのち、再び、最初と同じ条件で６０秒間、陽極酸化して目的厚さのナノ構造を有するアルミ酸化膜（Ａｌ２）を得た。この酸化膜断面の透過型電子顕微鏡写真を図１に、酸化膜表面の走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。
アルミニウム酸化膜（Ａｌ２）は、直径４０ｎｍのナノホール（３１）がアルミニウム地金（４）に対して垂直に存在し、巾６０ｎｍの隔壁（３２）が１００ｎｍピッチに配列した垂直ナノ構造になっていることが判る。この陽極酸化アルミ板を１０ｍｍ角に切断し、酸化膜（３）の表面に厚さ５０ｎｍの金を蒸着して上部電極（２）とし、アルミニウム地金をそのまま下部電極にして３層構造の２電極素子を作成した。図３に断面構造図と図４に外観を示す。
前記隔壁（３２）は、図１２で示すように、内層（３２Ａ）と外層（３２Ｂ）からなり、内層（３２Ａ）はＡｌＯ_４＋ＡｌＯ_５からなり、外層（３２Ｂ）はＡｌＯ_６からなるものである。
この素子（１）は、図５の電流―電圧特性を示し、図６のような回路を用いて、印可電圧によってオン状態とオフ状態を切替えることができる。例えば、オン電圧（Ｎ１）である電圧５．５Ｖを印加すればＡ点の導通状態になり、オフ電圧（Ｆ１）である−２Ｖの電圧を印加すればＢ点の非導通状態になる。リレー素子（１）の回路電圧が３Ｖの場合には、導通時には２５ｍＡ（Ｃ点）が流れ、非導通状態のリーク電流は４ｎＡ（Ｄ点）となり、オン・オフ電流比（２５ｍＡ／４ｎＡ＝６×１０^６）である。
そして、このようなオン・オフ電流比を示す範囲をリレー使用電圧範囲（ＲＶ）とすることで、電気回路のスイッチとして使用できる。なお、オフ状態に変化する範囲をオフ範囲（Ｆ２）、オン状態に変化する範囲をオン範囲（Ｎ２）とする。
このリレー素子（１）を利用したリレー（４０）の実施例（図８）を従来の自己保持型電磁リレー（５０）（図７）と対比してリレー動作を説明する。図７の電磁リレー（５０）では、ＡＣ端子間（５３Ａ）（５３Ｃ）に６Ｖを印可すると、オン・コイル（５２）が励磁し、リレー接点（５２）が接触して出力端子間が導通状態になる。ＢＣ端子間（５３Ｂ）（５３Ｃ）に６Ｖを印可すると、オフ・コイル（５４）が励磁し、リレー接点（５２）が切れて出力端子間（５５）が遮断される。
図８の素子リレー（４０）では、ＡＢ端子間（４１Ａ）（４１Ｂ）に５．５Ｖのパルス電圧を印可するとリレー素子（１）が導通状態になり出力端子間（４２）が導通状態になる。また、ＡＢ端子間（４１Ａ）（４１Ｂ）に−２Ｖのパルス電圧を印可すると、リレー素子（１）が遮断状態になり出力端子間（４２）が遮断される。従来の自己保持型電磁リレー（５０）の出力端子（５５）には、リレー接点の耐電圧等で決まる電圧（例えば±１２Ｖ）を加えることができるが、素子リレー（４０）の出力端子（４２）には、図５の電流―電圧特性に示されたリレー使用電圧（実施例では−１〜４Ｖ）の範囲内に制限する必要がある。
その範囲を超えた電圧が出力端子に加わると、そのことにより素子リレー（４０）のオン・オフが切替わる特性を考慮した回路設計が必要になる。電気回路の小型化と共に低電圧化が進んでおり、例えば駆動電圧１．５Ｖが標準仕様になればこの問題はなくなる。素子リレー（４０）をパルス電圧で切替える方法は、従来の直流回路ではパルス電圧を発生するための制御が必要になるが、デジタル化された電気回路では問題はなくなる。オン電圧（Ｎ１）はアルミニウム酸化膜（３）の厚さ（Ｈ）によって調整することができる。
例えば、陽極酸化時間を変えてアルミニウム酸化膜（３）の厚さ（Ｈ）を変えたサンプルを用いた素子のオン電圧（Ｎ１）は図９のようになる。この関係式は金を蒸着して上部電極（２）を形成した場合のものであり、電極の種類、蒸着の方法によっても変化するが、酸化膜厚（Ｈ）の影響が圧倒的に大きいので、オン電圧（Ｎ１）の実質的な制御は酸化膜厚（Ｈ）で行うことができる。
図１２は電顕写真（図１）を模式化したもので、上部電極（２）を含むリレー素子（１）全体の断面模式図である。膜厚が８０ｎｍ以下であると、比較例２に示すように電圧により電流値はヒステリシスを示すが明確なスイッチング現象が発生しなくなる。また１．９ミクロンであると、３０００Ｖ以上のオン電圧が必要になり実用不可能になる。ナノホール（３１）の直径は、３０ｎｍφ以上、６０ｎｍφ以下が望ましい。その範囲を外れると、ナノホールの形状が変形して垂直でなくなり、オフ動作が安定しなくなる。また、ナノホール（３１）のピッチ（Ｌ）は、２０〜２００ｎｍの範囲であれば、スイッチング特性に影響しない。
図１３は、図１２の酸化膜隔壁模式図の内層（３２Ａ）・外層（３２Ｂ）の実態を示す酸化膜を平面スライスした透過型電子顕微鏡写真であり、内層（暗い部分）と外層（明るい部分）の境界に高密度の酸素配位欠陥（Ｇ）が形成されている。オン電圧（Ｎ１）の印加により電極から注入された電子（Ｅ）が、上記の配位欠陥にトラップ（捕捉）され、隔壁（３２）中央の電位ポテンシャルが低下して導通チャネル（ＣＨ）が形成された模式図を図１４に示す。
図１４の模式図の実態に近い状態に相当する表面の走査型電子顕微鏡写真を図１５に示す。図２はオフ状態に相当する表面の走査型電子顕微鏡写真であり、図１５と比べるとオン状態とオフ状態で表面の電子状態が異なることが明確である。
図１に示すアルミニウム陽極酸化膜（３）が特異な機能性を発揮する理由は、垂直ナノ構造をした２次元の層状電子準位が存在することである。そのようなアルミニウム陽極酸化膜を製造する方法は、建材等に使用される通常のアルマイト加工（陽極酸化）とは異なる方法であり、詳細は実施例の冒頭に、図１６を用いて記載した通りである。

本発明は、稼働部分を全く有しない新たなリレーであり、マイクロマシンの製造には欠かせない部品である。

Claims (2)

1. 入力端子における電圧変化によって生じるリレー素子のＯＮ−ＯＦＦにより出力端子からの電力をＯＮ−ＯＦＦし、１０ミリアンペア以上の電流が流れる無接点マイクロリレーであって、
   前記リレー素子が、一個の下部電極である導電性基板上に絶縁性材料により形成された、複数のナノホールが前記導電性基板に対して垂直に存在し、隔壁が配列した垂直ナノ構造を有する絶縁性膜と、その絶縁性膜表面に形成した一個の上部電極とにより構成されたリレー素子であって、
   前記隔壁が内層と外層とからなり、前記内層と前記外層の境界に酸素配位欠陥が形成されていることを特徴とする無接点マイクロリレー。
2. 請求の範囲第１項に記載の無接点マイクロリレーにおいて、前記リレー素子は、アルミニウムを導電性基板とし、その表面に酸化アルミニウムの垂直ナノ構造を有する絶縁性膜が形成され、その絶縁性膜の表面に蒸着電極が設けられてなることを特徴とする無接点マイクロリレー。