JP5435868B2 - マイクロ放電装置、マイクロ放電装置アレイ、誘電体で覆われた電極を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ放電装置に関する。

マイクロプラズマ（マイクロ放電）装置は、殆ど１０年もの間開発が続けられており、また１０μｍもの小ささのマイクロキャビティを有する装置が製造されてきた。〜４ｃｍ^２のチップ領域中に４＊１０^４ピクセルもの大きさのマイクロプラズマ装置のアレイ（１ｃｍ^２当たり１０^４ピクセルのパッキング密度（ｐａｃｋｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ））が製造されている。更に、可視光及び紫外線での光検出、環境センシング（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ）、及び半導体のプラズマエッチングまでもの広い領域でのこれらの装置の応用が実証され、いくつかが現在商業的な可能性について検討されている。現在まで報告されたマイクロプラズマ装置の多くは、ＤＣ電圧により駆動されており、基本的に同種の材料の誘電体膜を組み込んでいた。マイクロプラズマ装置の想定される適用に関係なく、このテクノロジーの成功はいくつかの要因にかかっており、このうち最も重要なのは製造コスト、寿命、及び放射効率である。

本発明の一実施形態は、誘電体中に封入された第１の電極を含むマイクロ放電装置であり、この誘電体はナノポーラス誘電体皮膜（ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｌｍ）であり得る。第２の電極が提供され、これも誘電体で封入されてもよい。これらの電極は、時間変化性の（ＡＣ、ＲＦ、バイポーラ、又はパルス化ＤＣ等）電位が電極間に加えられたときに、マイクロキャビティ中に放電を引き起こすように構成されている。本発明の特定の実施形態では、第２の電極は、マイクロキャビティの開口部を覆うスクリーンであってもよく、またマイクロキャビティは一端が閉じていても良い。本発明のいくつかの実施形態では、第２の電極は第１の電極に直接接していてもよい。他の実施形態では、ギャップが電極を分離している。

封入された電極を備えるマイクロ放電装置の好ましい製造方法においては、金属基板が用いられて、ナノポーラス誘電体で封入された電極を形成し、この誘電体層の一部が溶解される。この誘電体層は、次に、２度目の陽極酸化が成され、ナノスケールの誘電体構造の均一性が増したナノポーラス誘電体封入電極をもたらす。本発明のいくつかの実施形態では、誘電体内の円柱状の窪みは更に誘電体の特性を調整するために１またはそれ以上の材料で埋め戻されてもよい。
本発明の以上の特性は、添付の図面を参照して成される以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。

本発明の特定の実施形態では、円柱状のナノ構造化された誘電体を金属基板上に成長させてマイクロ放電電極を形成する。この金属基板は、例えば、薄膜、箔、板、棒、管などの如何なる形状を有してもよい。この方法はマイクロ放電装置アレイの製造を容易にし、この装置は如何なる表面形状にも適合するであろう。誘電体は、金属表面の第１の陽極酸化により成長し、この金属はアルミニウムであってもよい。得られる誘電体層の一部は、次に溶かされ（溶解）、次に第２の陽極酸化ステップが実行される。得られる誘電体構造は、非常に均一且つナノポーラスであり、非常に揃った、数十から数百ナノメータまでの直径の円筒状キャビティを有している。本発明のいくつかの実施形態では、このナノスケールキャビティは、この後、特定の材料（誘電体又は電気的な導体）で埋め戻されて、この構造の更なる特性の調整を行っても良い。得られる封入された金属は、バルク材料及び薄膜のような従来の誘電体材料と比較して、例えば高い絶縁破壊電圧などのより優れた特性を示すことができる。

本発明の第１の実施形態では、誘電体中に封入された第１の電極を含むマイクロ放電装置を提供し、この誘電体はナノポーラス誘電体皮膜であってもよい。第２電極が提供され、これも同様に誘電体に封入されてもよい。これらの電極は、時間変化性の（ＡＣ、ＲＦ、バイポーラ、又はパルス化ＤＣ等）電位が電極間に加えられたときに、マイクロキャビティ中に放電を引き起こすように構成されている。本発明の特定の実施形態では、第２の電極は、マイクロキャビティの開口部を覆うスクリーンであってもよく、またマイクロキャビティは一端が閉じていても良い。本発明のいくつかの実施形態では、第２の電極は第１の電極に直接接していてもよい。他の実施形態では、ギャップが電極同士を分離している。

本発明の他の実施形態では、マイクロ放電装置アレイが提供される。このアレイは、複数の電極対を含んでいる。各電極対は、第１の電極及び第２の電極を含み、各電極は誘電体に封入された金属を含んでいる。各電極対は、時間変化性の電位が電極間に与えられたときに、対応するマイクロキャビティ中に放電を引き起こすように構成される。本発明の特定の実施形態では、電極対は積層され、マイクロ放電装置のリニアアレイを形成する。

本発明の更なる実施形態では、誘電体中に封入された複数の金属電極を含む平面電極アレイを含むマイクロ放電装置アレイが提供される。封入された電極アレイは複数のマイクロキャビティを形成する。共通電極が、この共通電極と電極アレイとの間に電位が与えられたときに、各マイクロキャビティ中に放電を引き起こすように構成される。いくつかの実施形態では、この共通電極は、アレイから放出される光に対して透明である。

本発明の他の実施形態では、ディスプレー応用のためのマイクロ放電装置アレイが提供される。このアレイは、第１の誘電体で封入された金属を含む第１の電極と、第１の電極に関連付けられた複数のマイクロキャビティと、第２の誘電体で封入された金属を含む第２の電極と、第２の電極に関連付けられた複数のマイクロキャビティとを含んでいる。第１の電極及び第２の電極は、第１及び第２の電極の間に電位がかけられたときに、特定のマイクロキャビティに、この特定のマイクロキャビティが第１の複数のマイクロキャビティ及び第２の複数のマイクロキャビティの両方の一部である場合に限り、マイクロ放電を引き起こすように構成されている。

本発明の他の実施形態では、金属の円筒（チューブ）を含む、円筒状のマイクロ放電装置アレイが提供される。複数のマイクロキャビティが、この円筒の内部表面上に構成され、このキャビティは次に誘電体で封入される。電極が円筒の中心軸に沿って配置され、また、この電極は時間変化性の電位がこの電極と円筒間に与えられたときに各マイクロキャビティ中に放電を引き起こすように構成される。中心電極に沿って気体の流れを導入することにより、有毒な気体の改善を達成しても良い。電位は、中心電極と円筒の間に与えられて、各マイクロキャビティ中に放電を引き起こす。放電は、気体がマイクロキャビティを通って流れる時に、気体中の不純物を解離（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｅ）する。本発明の他の実施形態では、この構成を、円筒を通って流れる気体の光化学的処理のために用いてもよい。これは、レーザーに対する利得媒質としても同様に役立つ。

本発明の実施形態は、例えば、医薬及び光重合（材料の光学的処理）への応用などで要求される、有効長及び／又は面積の拡大・縮小（ｓｃａｌｉｎｇ）のためのマイクロ放電装置アレイ配置及び構造を提供する。

この説明及び任意の添付請求項で用いられたように、「層」は、文脈が違うように示さない限りは、単一のステップで、又は複数のステップ（例えば、蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））により構成することができるということに留意されたい。

図１Ａ〜Ｆは、本発明の一実施形態に従って、金属上（この場合はアルミニウム）にナノポーラス誘電体を成長させるためのプロセスを例示している。Ａｌ_２Ｏ_３のナノポーラス誘電体層２０は、薄膜、箔、平板、棒、又はチューブなどの任意の形態（しかしこれらに限定されず）のアルミニウム基板１０の上に成長させることができる。アルミニウム基盤は、先ず例えば、電気化学的な、又は科学的な研磨（過塩素酸のような酸性エッチャント溶液にさらすことによるなど）により完全に清浄化する必要がある（図１Ａ）。このプロセスはまた、表面から一部の凹凸を除去する働きをし、これにより表面を平坦にする。次のステップは、マイクロドリリング及び化学的エッチングを含む１またはそれ以上の様々な手法によりこの金属中に所望の断面及び配列パターンのマイクロキャビティを形成することである（図１Ｂ）。（マイクロキャビティは、およそ５００μ以下の特性寸法（直径、矩形の長さ等）を有する空洞である。）誘電体の堆積プロセスが、この後、円柱状の窪み２５を伴うＡｌ_２Ｏ_３のナノポーラス誘電体層２０を生み出す、アルミニウム基版１０の陽極酸化により開始されるが（図１Ｃ）、この表面は不規則なナノ構造を有する。この陽極酸化は、上記金属基板を陽極とし、黒鉛、銅、又は白金のような適切な材料を陰極として、酸性溶液中で行うことができる。本発明の一実施形態では、酸性溶液は濃度０．３〜０．４Ｍかつ好ましくは約１５℃未満の温度のシュウ酸である。溶液温度の選択はトレードオフを示し、溶液温度がより高ければ誘電体の堆積は早いが、誘電体の構造はより均一でなくなる。本発明の他の実施形態では、硫酸、リン酸、クロム酸、又は有機酸及び無機酸の混合物を陽極酸化溶液として用いてもよい。

次に、ナノカラム２０を溶解により除去すると、図１Ｄに示す構造が得られる。溶解は、例えば、クロム酸と塩化第２水銀の混合物（又は、Ｔｒａｎｓｅｔｃｈ Ｎ^ＴＭのような他のアルミナエッチャント溶液）を堆積された誘電体に対して適用することにより達成しても良い。残っている構造（これは、鋳型と考えられる）に２度目の陽極酸化を行うと、図１Ｅに示すように、誘電体４０のカラム間の円柱状の窪み４５の構造が非常に規則正しくなる。２回目の陽極酸化は上述したような、最初の陽極酸化を同じようなやり方で達成しても良い。本発明の特定の実施形態では、この誘電体カラム４０の厚さは、数百ナノメーター（「ｎｍ」）から数百ミクロンまで変えることができる。さらに、誘電体中の円柱状の窪み４５の直径は、溶媒及び陽極酸化条件を変えることにより（温度及びモル濃度）数十ｎｍから数百ｎｍまで調整することができる。

このプロセスにより形成される金属／ナノ構造誘電体構造は、マイクロプラズマ装置中の電極として有利に用いられてもよい。電極の様々な部分に堆積されたナノポーラス誘電体の厚さは、この装置に所望される特性に従って調整することができる。例えば、マイクロ放電キャビティに隣接するであろう電極の部分の誘電体層の厚さは、好ましくは５ミクロンから３０ミクロンの範囲で設定しても良い。誘電体層がより厚くなると誘電体の絶縁破壊電圧が高くなり、物理的な処理及び化学的腐食に対する誘電体の寿命は増加するが、マイクロキャビティ内に放電を引き起こすのに必要な電圧も増加する。マイクロキャビティに隣接しない、他の電極部分は、より厚い誘電体層（例えば、約４０ミクロン以上）で有利に覆ってもよい。誘電体のこのより厚い層により、電極の寿命を延ばすことができるが、マイクロキャビティ外の領域における電気的な絶縁破壊を防止することもできる。電極の別々の部分の上に形成される誘電体の厚さは、マスキング剤を用いることにより制御しても良い。フォトリソグラフィーで用いられるフォトレジストのようなマスキング剤を用いることにより、又は当分野で公知の他のマスキング手法によって、制御しても良い。本発明のいくつかの実施形態では、マイクロ放電キャビティに接するであろう電極の部分に形成される誘電体層の厚さの、電極の他の部分上の誘電体層の厚さに対する比率は、およそ１：２から１：４に設定しても良い。

他の材料が、本発明の先の実施形態のアルミニウムと有利に置き換えられても良い。例えば、チタン、タングステン、ジルコニウム、及びニオブなどの様々な金属を、陽極酸化によりナノポーラス誘電体を上に形成する基板として用いてもよい。このプロセスは、ＴｉＯ_２誘電体層をチタン基板の上に、またＷＯ_３誘電体層をタングステン基板上に形成するために用いてもよい。

電極構造の製造が完了した時点で、本発明の一実施形態に従って、図１Ｆに例示されたようなマイクロプラズマ装置を組み立ててもよい。単純な、２層装置が示されており、これらのうち上の装置は２つのマイクロキャビティ直径を有していて、所望の装置構造の位置合わせを達成するのを容易にし、そして、この装置は真空システムにより真空引きされ、また、この装置を脱気体するために真空下で加熱しても良い。次いで、この装置（又は装置のアレイ）のマイクロキャビティ（又はマイクロキャビティ群）は、所望の気体又は蒸気により埋め戻し（ｂａｃｋ−ｆｉｌｌ）され、次に陽極接合、ラミネーション、又はガラスフリット若しくはエポキシによる封止などの周知の多様な処理の１つにより、この装置又はアレイを封止することが一般的には望ましい。全てのマイクロ放電装置は、時間変化する電圧（これは、ＡＣ、ＲＦ、バイポーラ又はパルス状ＤＣでもよい）により電力供給される。電気的な接触は、誘電体層中の金属に直接行われる。最終的に、バックグラウンド気体中でのマイクロ放電の動作により加熱される時に所望の蒸気を発生する、金属ハロゲン化物塩を少量マイクロキャビティに導入することにより、放電媒体を実現しても良い。

本発明の更なる実施形態では、先の実施形態の封入された電極の特性を、更なる処理で大幅に変更することができる。例えば、図１Ｈに例示されたように、円柱状のポア４５は、酸化マグネシウムまたは他の誘電体材料のような材料で部分的に充填６０をすることができる。これは、スパッタリング、スピンコーティング、化学「ディッピング（ｄｉｐｐｉｎｇ）」、及びゾルゲル法などの、周知の様々な処理により成すことができる。従って、このナノ構造化された誘電体の特性を調整する上で、かなりの柔軟性を実現することができる。このような方法で調整し得る特性には、誘電体の誘電定数及びこれの電気的絶縁破壊電位、又は光学的特性が含まれる。

あるいは、図１Ｇ〜１Ｈに示すように、陽極酸化プロセスで自然に形成されるナノポアの基部のＡｌ_２Ｏ_３「バリア」は、化学的エッチングにより除去することができる。次に、このナノポアを導電性材料５５で埋め戻しすることができる。金属を、例えば電気メッキによりこのナノポアに堆積させることができる。アレイの表面上に堆積される如何なる金属も、所望されればエッチングにより除去可能である。また、カーボンナノチューブを、ナノポアの内部に化学気相堆積により成長させてもよい。このナノチューブは、所望されればエッチングにより除去されるために用いられてもよい。また、カーボンナノチューブは、化学気相堆積によりナノポア中に成長させても良い。このナノチューブは、電界放出により電子を作り出すために用いてもよい。この電子は、電界によりナノポアの開放端から引き出すことができる。

図１Ｉは、本発明の一実施形態に従うナノポーラス誘電体封入電極を形成するためのプロセス８０を例示している。先ず、マイクロキャビティを含み得る金属基板が用意され８２、上述したように清浄化される８４（図１Ａ参照）。次に、マイクロキャビティ（又はマイクロキャビティのアレイ）が形成され、もし必要なら追加の清浄化でデブリ（ｄｅｂｒｉｓ）が除去される（図１Ｂ参照）。次に、基板は陽極酸化され８６（図１Ｃ参照）、ナノポーラス誘電体層が堆積される。次に、堆積された層は部分的に溶解される８８（図１Ｄ参照）。残りの誘電体層鋳型を伴う基板には、この後、２回目の陽極酸化がなされる９０（図１Ｅ参照）。もし追加の処理が必要なければ９２、プロセスは終了する９４。あるいは、３度目の陽極酸化を実行してもよいし９６、円柱状の空隙の基部を充填（図１Ｇ参照）してもよく、又は円柱状の空隙を上述のように所望の金属で埋め戻しすることができる（図１Ｈ参照）。マイクロ放電装置は、マイクロキャビティを放電媒体で満たしてこの装置を封止することにより完了しても良い（図１Ｉには示されていない）。

ナノ構造化された誘電体の誘電体特性は、マイクロプラズマ放電装置で用いられる従来の誘電体の特性よりも優れている。例えば、図１に示す２０μｍ厚のＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３層の誘電体構造についての、電気的絶縁破壊電圧を測定したところ、２０００Ｖより高く、一方、この倍の厚さ（４０μｍ）のバルクのアルミナの絶縁破壊電圧は、〜１１００Ｖにすぎなかった。また、ナノポアの基部における厚いバリア層、及び他の誘電体でのポアの埋め戻しは、絶縁破壊電圧を増加させるのに効果的である。

本発明の様々な実施形態において、ナノポーラス誘電体に封入された１またはそれ以上の電極を含むマイクロ放電装置が提供される。このナノポーラス誘電体は、例えば（限定せず）、上述のような湿式化学的処理により形成しても良い。従って、多様な装置構造を経済的に製造することができる。これらの装置は、誘電体中に封入された第１の電極と、同様に第１の電極の誘電体中に又は他の誘電体中に封入されてもよい第２の電極とを含んでいる。これらの電極は、第１及び第２の電極の間に時間で変化する（ＡＣ、パルス状ＤＣ等）励起電位がかけられたときに、マイクロキャビティ（すなわち、およそ５００μ以下の特性寸法（直径、矩形の長さ等）を有するキャビティ）中にマイクロ放電を引き起こすように構成されている。封入された電極はマイクロプラズマ放電にさらされることがなく、電極の寿命が長くするのを手助けする。

本発明の第１の実施形態に従ったマイクロ放電装置２００の断面が、図２Ａにおいて示されている。第１の電極２３０は、誘電体２２０で封入されたアルミニウムなどの金属２１０から形成されている。この誘電体は、Ａｌ_２Ｏ_３のようなナノポーラス誘電体であってもよい。第２の電極２４０が、第１の電極に隣接して配置され、直径「ｄ」のマイクロキャビティ２５０がマイクロドリリング、レーザー加工、化学エッチング等のような、周知の各種処理の１つにより形成される。マイクロキャビティは、第２の電極２４０を貫いて伸びているが、第１の電極２３０を必ずしも完全に貫通する必要はない。直径ｄは、通常１〜５００ミクロンのオーダーであってもよい。更に、キャビティの断面は、円形である必要はなく、様々な形状を取ることができる。第２の電極は、金属、インジウムスズ酸化物（「ＩＴＯ」）、ドープ結晶若しくは多結晶半導体、又は高分子化合物さえも含む、任意の導電性材料とすることができる。第１の電極と第２の電極の間に印加された交流（ＡＣ）又は他の時間変化性電圧２６０が、適切な圧力の放電気体又は蒸気が存在し、且つピーク電圧が充分な場合は、マイクロキャビティ２５０中にマイクロプラズマを引き起こすだろう。図２Ｂは装置２００の上面図を示す。示されたマイクロキャビティ２５０は円柱であるが、かかるマイクロキャビティは円筒に限定されず、他の形状及び縦横比が可能である。第１の電極内の金属２１０は、有利にもマイクロプラズマとは接触せず、電極の寿命を長くするのを手助けする。

本発明の他の関連する実施形態３００では、図３Ａの断面に示されているように、第２の電極は、マイクロキャビティ２５０を少なくとも部分的に覆う金属スクリーン３４０であってもよい。このスクリーン電極はまた、もしこの金属が適切に選択されるのであれば（例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｚｒ等）、ナノポーラス誘電体（示されているように）で封入されてもよい。図３Ｂはこの装置のトップダウン（平面）図を示す。

本発明の更なる関連する実施形態４００では、図４の断面に示すように、マイクロキャビティ放電チャンネル４５０の一端４８０は閉じている。誘電体「キャップ」４８０は、誘電体２２０に光バンドギャップ構造を設計することにより、特定の波長の光を反射する働きをすることができ、又はマイクロキャビティ４５０の基部における誘電体２２０を１またはそれ以上の反射性材料で覆っても良い。誘電体が関心のあるスペクトル領域で透明である場合、反射性の層４８０は誘電体２２０の外側に適用しても良い。

本発明の他の実施形態では、マイクロ放電装置の両方の電極が誘電体で封入されてもよい。図５は、第２の電極２４０が誘電体５１０で封入され第２の封入電極５３０を形成していることを除いては、図２の装置と同様な構造を持つ装置５００を示している。図５では、電極２３０及び電極５３０は、直接の物理的接触状態にある。図６に示すような本発明の他の実施形態では、マイクロ放電装置６００は、電極対２３０及び５３０が隣接する電極に対する誘電体層間のギャップをともなって積み重ねられるように形成しても良い。積層される電極対の数は設計選択の問題であり、図７に例示したように、延長された長さを有するマイクロプラズマのリニアアレイ７００を実現しても良い。このような積層装置は、光放射の強度増加を有利に提供することができ、マイクロチャンネル７５０の各端にミラーを配置することにより、レーザーを実現するのに適している。あるいは、図７の構造は、延長されたプラズマ柱の長さの変更が可能な他の応用で用いてもよい。

本発明の他の実施形態では、図８の断面に示すように、平面配列を伴うマイクロプラズマ装置アレイ８００が形成される。この実施形態では、個別の「ピクセル」サイズを決定する金属電極アレイ８１０が誘電体８２０に封入されている。電極アレイ８１０は、金属基板中へのレーザーマイクロマシニングにより、又は代わりに湿式又はプラズマエッチングにより、経済的に製造することができる。一旦電極アレイが形成されると、誘電体８２０を湿式化学処理によりアレイ全体にわたって堆積することができる。アレイの全てのピクセルは、ガラス上のＩＴＯ、石英、又はサファイヤのような共通透明電極８４０を共有しても良い。電極間に電位８３０を印加すると、マイクロキャビティ８５０中で放電を引き起こす。マイクロ放電からの放射光は、共通透明電極８４０を通して又はマイクロキャビティ８５０の他端から漏れる。あるいは、共通電極８４０は、透明である必要はないが、先に説明したように誘電体封入の金属電極とすることができる。光は、その結果マイクロキャビティのこの端から外へ抜き出されマイクロキャビティ８５０から離れる。

本発明の更なる一実施形態では、図９に示すように、個別のマイクロキャビティ（ピクセル）が選択的に励起することを可能とするマイクロ放電アレイ９００を形成することができる。所望の形状のピクセル９３０を、長さが延長された誘電体封入電極９１０中に作ることができる。この誘電体封入電極９１０の下（あるいは上）にあるのは、第２の誘電体封入電極９２０であり、これも同様に長さを延長してもよい。第１の電極９１０へ電圧Ｖ_１を印加し、第２の電極９２０には電圧をかけない（Ｖ_２＝０）場合、第１及び第２の電極の交点にあるピクセルは点灯しない。しかしながら、適切な電圧Ｖ_２が同様に第２の電極に加えられると、両方の電極の交点に位置するピクセルのみが点灯し、光９４０を放射する。アレイの他のピクセルは暗いままである。このようにして、各ピクセルが個別にアドレス可能な大きなピクセルアレイを構成し、例えばディスプレー及び生物医学診断に応用することができる。

任意の構成（形状：ｇｅｏｍｅｔｒｙ）中に導電性（例えば、金属）表面上のナノポーラス誘電体を作る能力は、プラズマアレイ及び処理システムで利益をもたらすために用いられる。例えば、図１０は、マイクロプラズマ装置の円筒型アレイ１０００を例示しており、各装置は金属（箔、他の表面上の皮膜、アルミニウム管類など）のチューブ状部１０１０の内部壁上に作られている。チューブ状部１０１０の壁にマイクロキャビティが作られた後、アレイは、上述のように各キャビティの内部を同様にコーティングする、ナノポーラス誘電体１０３０を円筒１０１０の内部表面上に形成することにより完成する。意図される応用によっては、マイクロキャビティは多様な形状及びサイズであってもよい。図１０の実施形態に対しては、マイクロキャビティは円筒１０１０の壁を貫いて延長している。気体が円筒１０１０の外側からシステムに入り、マイクロキャビティを通り抜ける。このシステムの用途が、有毒の又は他の環境的に有害な気体若しくは蒸気を解離する（寸断する：ｆｒａｇｍｅｎｔ）ことだとすると、気体がマイクロ放電を通過することにより、望まれないものの一部が解離されるであろう。もし、１段配置での解離の程度が許容できるのであれば、気体状の生成物はシステムから、図１０に示すように、その軸にそって移動させることができる。１段での解離の程度が不十分な場合は、図１１に示すように、第１段と同心の第２段が追加される。この場合、中心電極１０２０は円筒状であり、マイクロキャビティのアレイは円筒１０１０のものと同様に、この壁に作られる。マイクロキャビティは、この場合も壁を貫通して延びている。中心電極１０２０の軸に沿っているのは、第２の電極であり、これはチューブ、棒、又はワイヤであってもよい。第１及び第２の電極は、双方とも誘電体により封入される。この２段システムにより、問題の気体又は蒸気は、システムを出る前に今度は２つのマイクロ放電アレイを通り抜ける必要がある。

先に言及したように、マイクロプラズマピクセルを有するより大きな円筒の軸にそって位置する中心電極１０２０は、固体の導電物（例えば、金属棒又はチューブ）又は代わりに光学的に透明な円筒（例えば、水晶チューブ）上に堆積された透明導電物とすることができる。前者の設計は、励起された気体又は基底状態のラディカルを生成するために、気体を電気的に励起及び解離することにとって興味深く、一方後者は、内部円筒（光学的に透明な）の内部を流れる気体又は蒸気を光学的に励起することに対して有益である。

図１０のアレイは、本発明の一実施形態に従って、有毒気体の改善などの光化学的処理に対して用いることができる。時間変化性電位が、中心電極１０２０と円筒１０３０の間に加えられる。別の応用は、この円筒の中心電極１０２０内に配置された利得媒質で光を増幅するための光学的ポンピングである。

先に説明したいくつかの装置及びアレイ、そして特に図２、３、５のものが組み立てられテストされた。今日まで製造されてきた典型的なマイクロ放電装置は、Ａｌ箔（通常５０〜１００ミクロン厚の）から成り、先ず酸性溶液中で清浄化され、次に箔にマイクロキャビティ又はマイクロキャビティのアレイが、微細加工される。個別のマイクロ放電キャビティ（すなわちマイクロキャビティ）は、５０〜１００ミクロンの直径を伴う円筒状である。マイクロキャビティが作成された後、ナノポーラスＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３が電極全体にわたって、マイクロキャビティの壁上で〜１０ミクロン、また他の場所では３０〜４０ミクロンの厚さに成長させられる。装置の組み立ての後、この装置は真空システムで真空引きされ、必要なら脱気体され（ｄｅ−ｇａｓｓｅｄ）、所望の気体又は蒸気で埋め戻しされる。所望される場合、装置又は装置アレイ全体は、当技術分野で公知のように、陽極接合、ラミネーション、ガラスフリット封止、又は他のプロセスにより、少なくとも１つの透明窓を伴う軽量パッケージに密封しても良い。

各装置が１００ミクロン径の円柱状のマイクロキャビティを伴う（図５の装置）、２×２のＡｌ_２Ｏ_３マイクロ放電装置のアレイを希気体中及び空気中で動作させた。典型的なＡＣ動作電圧（与えられた値はピーク・トゥ・ピーク）及びＲＭＳ電流は、〜７００トールのＮｅに対しては６５０Ｖと２．３ｍＡ、また空気に対しては８００Ｖ〜８５０Ｖと６．２５ｍＡである。これらの測定に対する、ＡＣ駆動周波数は２０ＫＨｚであった。電気的なバラストの必要がなく、このアレイの全てのピクセルで安定且つ一様な放電が生成されたということを強調しておかなければならない。この結果は、安定した放電を得るのが最も難しい気体（又は混合気体）として長く公知である空気に対して、特に大きな意義を有する。

はるかに大きいアレイを構成しても良く、また全工程が自動化されてもよい。要求される材料のコストの低さと、装置の組み立ての容易さと、及び今日まで試験された範囲で生成された安定して良好に動作するグロー放電との全てが、本発明の実施形態のマイクロ放電装置及びアレイは、低コストで、明るくて、順応性のある可視光及び紫外線光源が要求される場合はいつでも価値を有するということを示している。

もちろん、本発明が上記された詳細記述の態様に限定されないということは、当業者には明白であろう。説明された何れの実施形態において、電極を封入するために用いられる誘電体は、ナノポーラス誘電体であってもよい。アルミナで封入されたアルミニウム（Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３）がこれらの装置の例となる材料として用いられたが、多様な材料（例えば、Ｗ／ＷＯ_３）を同様に用いてもよい。更に、上述の実施形態の如何なるものにおいても、装置のマイクロキャビティを所望の圧力の気体で充填して、特定の特性を有するマイクロ放電を容易にしても良い。マイクロキャビティは、原子希気体、Ｎ_２、及び希気体−ハロゲンドナー気体の混合などの放電気体で満たしてもよい。気体圧及び混合気体の構成は、所望の放射種の好適な数密度を維持するために選択しても良い。

実験的なＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３マイクロ放電装置アレイが、図１Ａ〜１Ｉについて説明された方法で製造された。装置は、アレイに形成され、各装置は１００μｍのマイクロキャビティ径を有していた。マイクロキャビティは、アルミニウム箔に作成され、箔を貫通している。各マイクロキャビティの内壁をライニング（ｌｉｎｉｎｇ）しているＡｌ_２Ｏ_３誘電体は、光学顕微鏡写真で黒い輪として見えた。誘電体皮膜は、実際には透明だが、単に写真の記録のされ方のために暗く見えている。Ａｌ基板の上面（及び反対側）上のＡｌ_２Ｏ_３皮膜は透明であり、確認された染みはＡｌ箔上の未処理の表面構造の結果である。他の実験的なマイクロ放電装置のアレイが形成され、これも円筒状のマイクロキャビティをともなっていたが、直径は２００μｍであった。

実験的な１００μｍのＡｌ_２Ｏ_３装置の小さなアレイに対する、電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性が図１２で提供されている。充填気体は７００トール圧のＮｅであり、結果はいくつかの周波数の１つにおけるアレイのＡＣ励起について示されている。縦軸の電圧値は、ピーク・トゥ・ピーク値である。また、動作電圧は、マイクロキャビティ中のＡｌ_２Ｏ_３の厚さを減らすことにより、図１２に示すものよりも下げることができるということに、留意すべきである。Ａｒ／２％Ｎ_２の混合気体内で動作している、Ａｌ_２Ｏ_３マイクロ放電装置の小さなアレイについてのＶ−Ｉ特性が、全体混合圧５００トールと７００トールの２つの値について図１３に示されている。要求される動作電圧は、加えられたＮ_２特性のためにＮｅのものよりも高い。

本発明の他の実施形態では、本発明の先行する実施形態の任意のものに従うマイクロ放電電極を、マイクロ放電装置及び装置アレイ中に組み込んでもよい。更に、他の処理により形成されたナノポーラス誘電体をその上に有する金属基板を含むマイクロ放電電極を、マイクロプラズマ装置及びアレイに有利に用いてもよい。

同様に、もちろん本発明は、上記の詳細な説明の態様に限定されないということは明白である。例えば、誘電体で封入された金属は、マイクロ放電電極を超える多様な応用で用いてもよい。説明された本発明の様々な変更および変形例は、当業者には添付の請求項で定義されたような本発明の精神及び範囲から離れることなしに明白であろう。

図１Ａ〜図１Ｆは、本発明の一実施形態に従って、ナノポーラス封入金属マイクロプラズマ電極を製造するためのプロセスの図を示す。 図１Ｇ、１Ｈは、プロセスステップの図を示す。 図１Ｉは、図１Ａ〜１Ｆ並びに１Ｇ及び１Ｈにおいて例示されたプロセスのフローチャートを示す。 図２Ａは、本発明の一実施形態に従う封入された電極を備えるマイクロ放電装置の断面を示し、図２Ｂは、図２Ａの装置の上面図を示す。 図３Ａは、本発明の一実施形態に従う、封入された電極と、他の電極のための封入された金属スクリーンを備える、マイクロ放電装置の断面を示し、図３Ｂは、図３Ａの装置の上面図を示す。 本発明の一実施形態に従う、マイクロキャビティが一端で閉じているマイクロ放電装置の断面を示す。 両方の電極が封入される、図２の装置と同様な装置を示す。 ２つの電極が直接、物理的に接しない、図５の装置の積み重ねバージョンを示す。 本発明の一実施形態に従い、複数の電極対が直接物理的に接しているリニアアレイを形成する、図５の装置の積み重ねバージョンを示している。 本発明の一実施形態に従って、マイクロキャビティが平面アレイを形成する、マイクロ放電構造を示す。 本発明の一実施形態に従う、ディスプレー応用のためのマイクロ放電装置アレイを示し、ここにおいてはピクセルが個別的にアドレス可能である。 本発明の他の実施形態に従う、円筒上の複数の誘電体で封入されたマイクロキャビティと中心電極とにより形成される、マイクロ放電装置を示す。 図１０の装置の２段バージョンを示す。 ネオン中の１００μｍ径のＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３装置に対する、いくつかのＡＣ励起周波数値における電圧−電流特性を示す。 Ａｒ：Ｎ_２（２％）混合気体中の１００μｍ径のＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３装置に対する、２つの圧力値における電圧−電流特性を示す。

Claims (17)

1. マイクロ放電装置であり、
   第１の電極（２３０）を含み、前記第１の電極は導体及びマイクロキャビティを含み、前記マイクロキャビティは前記導体を部分的に貫通し、前記第１の電極内に画定された前記マイクロキャビティ内の全体に放電媒体を含むように構成され、前記放電媒体は、バックグラウンド気体中でのマイクロ放電の動作により加熱される時に所望の蒸気を発生する、金属ハロゲン化物塩を少量マイクロキャビティに導入することにより実現され、前記マイクロキャビティが第１の誘電体で封止されることなく、前記第１の電極および前記マイクロキャビティの壁は前記第１の誘電体で覆われており、
   第２の電極（２４０）を含み、前記第２の電極は電位が前記電極間に与えられたときに、前記マイクロキャビティ中に放電を引き起こすように構成されており、前記マイクロキャビティが一端で閉じている、放電装置。
2. 前記第２の電極は第２の誘電体で覆われている導体を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の誘電体はナノポーラス誘電体である、請求項１または２に記載の装置。
4. 複数の請求項１の前記マイクロ放電装置を含むマイクロ放電装置アレイ。
5. 前記第１の電極は、誘電体で覆われた複数の前記導体を含み、前記覆われた金属電極は複数のマイクロキャビティを含んでおり、
   前記第２の電極は共通電極（８４０）を含み、前記共通電極は電位が前記共通電極と前記金属電極アレイとの間に与えられたときに前記複数のマイクロキャビティのそれぞれに放電を引き起こすように構成されている、請求項４に記載のマイクロ放電装置アレイ。
6. 前記共通電極は透明である、請求項５に記載のアレイ。
7. 前記第１の電極は、誘電体で覆われた複数の前記導体からなる電極アレイ（９１０）を含み、前記覆われた金属電極は複数のマイクロキャビティを含んでおり、
   前記第２の電極は前記複数のマイクロキャビティのそれぞれに放電を引き起こすように構成された、第２の誘電体で覆われた、前記複数の前記導体を横切るように設けられた、複数の横切る電極（９２０）を含む、請求項４に記載のアレイを含むディスプレー応用のためのマイクロ放電装置アレイ。
8. 前記複数のマイクロキャビティの個別の１つが、閾値を超える時間変化性電位が第１の電極と前記複数の横切る電極の横切る電極の１つとの間に与えられたときのみマイクロ放電を作り出すように構成されている、請求項７のディスプレー応用のためのマイクロ放電装置アレイ。
9. 前記第１の誘電体及び前記第２の誘電体の少なくとも１つがナノポーラス誘電体である、請求項８に記載のアレイ。
10. 前記第１の電極は金属円筒を含み、前記金属円筒は中心軸により特徴づけられ、前記円筒の内部表面上に複数のマイクロキャビティが形成され、前記マイクロキャビティは第１の誘電体で封止されることなく、前記マイクロキャビティの壁は前記第１の誘電体で覆われており、
    前記第２の電極は前記円筒の前記中心軸に沿って構成し配置されており、時間変化性電位が前記中心電極と前記円筒との間に与えられたときに、前記複数のマイクロ放電装置のそれぞれに放電を引き起こすように構成されている、請求項４に記載のアレイを含む円筒状マイクロ放電装置アレイ。
11. 前記第２電極は透明な電気的導電性のチューブを含む、請求項１０に記載のアレイ。
12. 前記第２の電極は金属導体を含む、請求項１１に記載のアレイ。
13. 誘電体で覆われた電極を製造する方法であって、
    少なくとも１つのマイクロキャビティを含む金属基板を用意し、
    前記基板を陽極酸化して細孔を含む第１の層を形成し、
    前記第１の層の部分を溶解し、
    前記第１の層の前記部分が溶解されたときに、前記第１の層の第２の陽極酸化を実行し、堆積層を形成し、これにより前記マイクロキャビティが第１の誘電体で封止されることなく、前記第１の電極および前記マイクロキャビティの壁が前記第１の誘電体で覆われるように形成することを含む、方法。
14. 金属、誘電体、及びナノチューブの１つで、前記堆積層の前記細孔を特定の深さまで満たすことを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記金属はアルミニウムであり、前記堆積層はＡｌ_２Ｏ_３を含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記金属はチタンであり、前記堆積層はＴｉＯ_２を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記堆積層の厚さが前記基板のマイクロキャビティの壁上の部分と前記基板のマイクロキャビティの壁上以外の部分との間で異なる、請求項１３に記載の方法。