JPH06131936A - 対向電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 動作時に劣化をしない接点電極や陽極接合時
の電極劣化を防止できる対向電極構造を提供する。 【構成】 第一の基板１表面上に形成された第一導電化
層４と、第二の基板５表面上に形成させた第二導電化層
８とからなり、第一及び第二導電化層４、８を３００ミ
クロン以内となるように相対向するように該両基板１、
５を近接させて作動させる対向電極において、第一導電
化層４または第二導電化層８の少なくともどちらかの最
表面層３或いは７がプラチナまたはプラチナ合金膜で構
成させたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシニング技
術に応用される対向電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン・マイクロマシニング技術を応
用した種々の製品については、例えば日経メカニカル、
第４６〜４７頁（１９９１年１月２１日号）に掲載され
ている。

【０００３】以下には、図６に示すシリコンチップ４０
５とガラス基板４０１とを重ねて構成される超小型静電
リレーの接点電極を取り上げ説明する。

【０００４】シリコンチップ（厚さ：２５０ミクロン）
４０５はエッチングにより、厚さ：２５ミクロンの可動
板４００と該可動板４００の中央に梁とを形成させ、該
可動板の裏面に信号電極４０８と該信号電極の外側にコ
の字形の負荷電極４０９を形成させたものである。ガラ
ス基板４０１には、可動板４００の信号電極４０８と負
荷電極４０９に対向する位置に、２個の信号電極４１０
と４個の負荷電極４０４とが形成してあり、シリコンチ
ップ４０５とガラス基板４０１の両者は接着剤を必要と
しない陽極接合法により永久接合することが可能であ
る。その場合、陽極接合は被接合物であるシリコンとガ
ラスを摂氏３００度以上に加熱し、ガラス基板４０１側
を負電位に、シリコンチップ４０５側を正電位とし、数
百ボルトの高電圧を印加し行うことが一般的である。

【０００５】上記超小型静電リレーの動作は以下のよう
である。可動板４００とガラス基板４０１との間隙を２
００ミクロンとし、両信号電極間４０８及び４１０に電
圧を印加させることにより生じる静電力によって可動板
４００がガラス基板４０１側に引き寄せられ、それによ
り該ガラス基板側と可動板側の負荷電極４０９及び４０
４の接点部分が導通し、負荷電流が流れる。

【０００６】また、電極を用いる他の例として駆動検出
機構に接点電極を利用する、ダイアフラムを有するシリ
コン基板と、ガラス基板とからなるマイクロポンプにつ
いて以下に説明する。

【０００７】図２はマイクロポンプの流路を説明する断
面図で、シリコン基板２０５は入口バルブ用ダイヤフラ
ム２２０と圧電素子２２１等によって周期的に振動する
駆動用ダイヤフラム２２２及び出口バルブ用ダイヤフラ
ム２２３とが異方性エッチングにより形成されており、
特に、図３の詳細図に示すように出口バルブ用ダイヤフ
ラム２２３の上部には第二導電化層２０８が凸部に形成
されており、間隔をあけて対向するガラス基板２０１ｃ
側の第一導電化層２０４とで接点電極を形成している。

【０００８】ガラス２０１ａ、２０１ｃとシリコン２０
５の封止には気密封止が可能な陽極接合法が最も効果的
で且つ実用的である。

【０００９】かかるマイクロポンプは駆動用ダイヤフラ
ム２２２が圧電素子２２１により上方に変形すると、内
圧の減少により入口バルブ用ダイヤフラム２２０が上方
へ変形し流体を吸い込み、逆に駆動用ダイヤフラム２２
２が圧電素子２２１により下方に変形すると、内圧の増
加により入口バルブ用ダイヤフラム２２０を下方へ押し
つけ、出口バルブ用ダイヤフラム２２３が上方へ変形す
ることにより流体を吐出させることができる。

【００１０】出口バルブ用ダイヤフラム２２３上の凸状
第一導電化層（以下では接点電極と呼称する）２０８は
ダイヤフラムの振動によりガラス基板２０１ｃ側の第二
導電化層（以下、接点電極と呼称する）２０４と接触
し、電気接点を形成する。したがって、電気接点による
信号をモニターすることにより駆動状態を検出すること
ができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記静
電リレーやマイクロポンプの駆動検出機構における第一
の課題としては、接点開閉時の機械的損傷や、開閉時に
発生するアーク放電に起因する溶着等が発生し、導電化
層としての電極が損傷することである。特に、ガラス側
と可動板側の負荷電極の材質を一般的な金／クロム薄膜
（最表面層／下地層、以下ではＡｕ／Ｃｒと略記する）
とした場合には、印加電圧として直流・数ボルトを加え
ただけでも電極表面が著しく劣化する。負荷電圧が高く
なるほど電気接点の接触面積を大きくし電気接点として
の性能を満足させることができるものの、上記したよう
なマイクロ部品にあってはおのずと制限されるべきもの
であり、従って限定された負荷電圧にて使用されるべき
ものである。

【００１２】このため、例えば特開平４−５８４２８号
公報では静電リレーのハウジング内を不活性ガスを高気
圧状態で気密封止したり、真空状態で気密封止する提案
がなされている。

【００１３】また、第二の課題としては、シリコンマイ
クロマシニング技術を応用した上記シリコンとガラスか
らなる部品の接合においては、高温、高電圧下で行う陽
極接合がしばしば行われることから、微小間隙を有する
対向電極では以下のような課題を有している。

【００１４】すなわち陽極接合においては、摂氏３００
度以上に加熱された電極上にてガラスを正電位に、シリ
コンを負電位として通常５００ボルト以上の高電圧が印
加されると、例えばシリコンダイヤフラム構造が静電力
により相対向するガラス基板に引きつけられて両基板表
面上の対向電極間で放電が生じる結果、該両電極は溶着
等のダメージを受け、電極としての信頼性を損ない、且
つ製造歩留まりを悪化させるという課題も併せて有して
いる。

【００１５】陽極接合時の印加電圧を低くしたり、加熱
温度を低くすると電極のダメージ発生を抑えることに対
しては有効であるものの、実用的な接合強度を得るため
には上記以上の接合条件を設定する必要がある。

【００１６】この第二の課題である陽極接合時の電極の
損傷を防ぐため、例えばＵＳＰ．４３８４，８９９号で
はガラス基板側の対向電極をシリコン基板と等電位にし
て陽極接合を行う方法も提案されている。また電極構造
も延性金属であるＡｕをサンドイッチ構造として熱によ
る応力を緩和させうる図７のような構成を有する薄膜電
極の提案がＵＳＰ．４，７７２，５２３号に記載されて
いる。

【００１７】しかしながら、ガラス基板側の対向電極を
シリコン基板と等電位、すなわち負電位にして陽極接合
する場合には電圧印加のための電極端子をガラス基板側
に配線する必要があるものの、電極パターンによっては
不可能となることもある。さらに、提案されている図７
による電極構成は陽極接合時の熱による損傷を最小限に
することはできるものの、対向電極としての特性を考慮
した電極構造とはなっていない。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
解決するためになされたもので、本発明の対向電極は接
点電極として使用する場合には図１に示すごとく構成さ
れる。

【００１９】第一の基板１表面上に形成された第一導電
化層４と、第二の基板５表面上に形成させた第二導電化
層８とからなり、第一及び第二導電化層４、８を３００
ミクロン以内となるように相対向するように該両基板
１、５を近接させて作動させる対向電極において、第一
導電化層４または第二導電化層８の少なくともどちらか
の最表面層３或いは７がプラチナまたはプラチナ合金膜
で構成させたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明による対向電極によれば、少なくとも相
対向する導電化層４、８の最表面層３、或いは７のどち
らかを不活性で高融点、高硬度金属であるプラチナまた
はプラチナ合金としたので、接点電極として使用する場
合には接点開閉時に発生する機械的損傷や、アーク放電
に伴う発熱による溶着を防ぐことができ、したがって耐
電圧が高く信頼性の高い接点電極とすることができる。

【００２１】また、静電力によりシリコンダイヤフラム
がガラス基板側に引きつけられて発生する、陽極接合時
の電極間の放電に対しても不活性で高融点、高硬度金属
であるプラチナまたはプラチナ合金を少なくとも最表面
層としたことにより、成膜時の信頼性の高い電極として
維持できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の対向電極による実施例につい
て詳細に説明する。

【００２３】（実施例１）図１の対向電極の構成要素を
図３に示すマイクロポンプの接点電極とするには、以下
のように作製される。

【００２４】まず、ガラス側の接点電極については、所
望する電極形状となるように打ち抜いたマスキング板
（材質：ＳＵＳ３０４、厚さ：０．１ｍｍ）をガラス基
板２０１ｃ表面に固定し、スパッタ装置にセット後真空
引きを行う。所定の真空度に到達した後、スパッタ圧：
３ｍＴｏｒｒ、スパッタパワー：４００Ｗにてチタン
（Ｔｉ）を５００オングストローム、プラチナ（Ｐｔ）
を２０００オングストローム積層させ第一導電化層２０
４を得る。次に予め第二導電化層２０８としてのＣｒ
（５００オングストローム）／Ａｕ（２０００オングス
トローム）をダイヤフラム上の凸部から外部配線を施し
たシリコン２０５に以下の順序にて陽極接合を行い、第
一導電化層２０４と第二導電化層２０８とからなる接点
電極を得る。

【００２５】摂氏３００度に加熱されたホットプレート
上にガラス２０１ａとシリコン２０５とを被着、静置さ
せ、ガラス２０１ａを負電位にシリコン２０５を正電位
とし、５００Ｖを印加し１０分間放置する。次にガラス
２０１ｃをシリコン２０５上に接点電極が相対向する位
置関係となるように静置後、ガラス２０１ａの接合時と
同様にガラス２０１ｃを負電位にシリコン２０５を正電
位とし５００Ｖを印加し１０分間放置して接合を行い、
間隙１０ミクロンの接点電極を得た。

【００２６】この様にして接合したマイクロポンプの接
点電極は、検出回路を介した初期評価ではなんら問題を
生ぜず、Ｖ_d ボルトの電圧を印加させた時には図４に示
すような繰り返し信号波形が得られた。また、サンプル
を破壊し接点電極表面を観察したところ、なんら変化を
生じておらず陽極接合前の電極表面と同じであった。

【００２７】一方、第一、及び第二導電化層をＡｕ／Ｃ
ｒ同士とした従来の接点電極（膜厚：Ｃｒ［５００オン
グストローム］／Ａｕ［２０００オングストローム］）
を構成させた比較サンプルについて、陽極接合後の電極
表面状態を観察したところ、部分的に放電した痕跡が認
められた。

【００２８】さらに本実施例にて作製した上記マイクロ
ポンプを駆動させ、４５ミリ秒間隔で接触する接点電極
に種々の信号電圧を印加させた耐久性試験では、次表の
結果を得た。表１からは比較例としてのＡｕ／Ｃｒ同士
の接点電極に比べ、少なくとも一つの接点電極の最表面
層をＰｔ／Ｔｉとした本実施例の耐久性が著しく向上し
ていることが明らかである。

【００２９】

【表１】

【００３０】（実施例２）次に、実施例１と同様なマイ
クロポンプの１０ミクロンの間隙を有する接点電極にお
いて、電極構成を52wt％プラチナ・42wt％イリジウム合
金（52wt％Ｐｔ−42wt％Ｉｒ／Ｔｉ）とした時の耐久性
試験をおこない、次表の結果を得た。第一及び第二導電
化層の最表面層のどちらかをプラチナ−イリジウム合金
とすることで、実施例１同様に著しい効果が確認でき
た。

【００３１】

【表２】

【００３２】（実施例３）次に、本実施例では実施例２
と同様にプラチナ合金として金、パラジウム（Ｐｄ）、
ニッケル（Ｎｉ）を含有させた第一導電化層とＡｕ／Ｃ
ｒを第二導電化層とした組み合わせにてマイクロポンプ
駆動検出機構の接点電極とした時の耐久性試験をおこな
い、次表の結果を得た。実施例２のプラチナ−イリジウ
ム合金と同程度の著しい効果が本実施例で確認された。

【００３３】

【表３】

【００３４】（実施例４）次に、第４の実施例について
説明する。

【００３５】図５はガラス３０１ａ、シリコン３０５、
ガラス３０１ｂの積層基板からなり、シリコン３０５に
は複数のノズル孔３１０と該ノズル孔３１０の各々に連
通する複数の吐出室３１１と、該吐出室３１１の壁の一
部が機械的変形を生ずるようになっている振動板３０８
とインクを供給するためのインクキャビティ３１２とを
備え、ガラス基板３０１ａに第一導電化層３０４を形成
し、第二導電化層としての該振動板３０８（シリコンの
比抵抗：１０オーム・ｃｍ）を静電気力により変形さ
せ、ノズル孔３１０よりインク液滴３１３を吐出させる
インクジェットヘッドの断面図を示している。

【００３６】本実施例では第一導電化層３０４をＰｔ−
Ｉｒ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｃｒの４層膜とし、以下の工程にて
作製した。

【００３７】まず予めインク供給孔３１４が開けられた
ガラス基板３０１ａを０．５ミクロンエッチングし、エ
ッチングされた該ガラス基板３０１ａ表面に実施例１同
様にスパッタリング法によりＣｒ（膜厚５００オングス
トローム）とＡｕ（膜厚２０００オングストローム）と
を積層させる。次に所定のホトリソグラフィー法により
該Ａｕ／Ｃｒ積層膜をパターニングし負荷電極部３０４
と電極リード部（図示せず）とを形成する。さらにパタ
ーニングされた該ガラス基板３０１ａに第一導電化層３
０４部のみが開口されたマスキング板を固定後、スパッ
タ法にてＴｉ（膜厚５００オングストローム）52wt％Ｐ
ｔ−48wt％Ｉｒ（膜厚２０００オングストローム）を積
層させた。

【００３８】このようにして作製されたガラス基板３０
１ａと予めエッチングにて形成されたシリコン基板３０
５とガラス基板３０１ｂとを陽極接合法にて永久接合
し、動作させたところ、安定して動作した。

【００３９】一方、比較例として第一導電化層３０４を
Ｃｒ（膜厚５００オングストローム）／Ａｕ（膜厚２０
００オングストローム）とした従来のインクジェットヘ
ッドでは動作開始後数分間で駆動できなくなってしまっ
た。動作不良となったインクジェットヘッドを解体して
第一導電化層３０４表面を観察したところ、放電により
異常に劣化していた。

【００４０】この他、製造工程においてはシリコンとガ
ラスとを陽極接合法により接合するものの、第一導電化
層３０４と第二導電化層としてのシリコン振動板３０８
との間隙がたかだかミクロンオーダーであるため、接合
過程にて熱や静電力により振動板が変形する結果、従来
より一般的に使用されているＡｕ／Ｃｒ積層膜を第一導
電化層としたインクジェットヘッドでは歩留まりを低下
させることにもなる。

【００４１】次に、発振回路３１５に０Ｖ〜＋電圧を印
加させ、第二導電化層としてのシリコン振動板３０８を
繰り返し変形させて本実施例に示すインクジェットヘッ
ドを動作させたところ、問題なく連続動作した。

【００４２】以上、本実施例においては接点電極への応
用としてマイクロポンプの接点電極について説明した
が、静電リレーの接点電極としても良く、さらにはシリ
コン基板とガラス基板から構成され且つ陽極接合法にて
接合される電極構造であれば良い。特に、２枚のシリコ
ン基板を対向させて電極を形成し、両シリコン基板をガ
ラス薄板またはスパッタ法にて成膜させたガラス薄膜を
介在させて陽極接合法にて接合させたサンドイッチ構造
としても良い。

【００４３】また、導電化層として２層膜としてあるが
２層膜に限定されるものではなく、３層以上の薄膜であ
っても良く、さらに実施例３に示すように必ずしも金属
薄膜を導電化層とするばかりではなく、低抵抗のシリコ
ンを導電化層としたり、シリコンを部分的にドーピング
して電極として構造であっても良い。

【００４４】さらに、本実施例に示したプラチナまたは
プラチナ合金の下地膜をチタンとしたものの、タンタ
ル、モリブデン、モリブデン、クロム、バナジウム、ア
ルミニウム等より選ばれる金属膜やそれらのシリサイド
膜であっても良く、またそれらの多層膜であってもさし
つかえない。

【００４５】

【発明の効果】以上、実施例にて説明したように本発明
による対向電極とすることにより、接点電極として動作
させる場合においては雰囲気を真空状態や、不活性ガス
にて気密封止することなく、耐電圧を高くでき、また電
流開閉時の放電による劣化を防止することができる。

【００４６】また、シリコン基板とガラス基板からなる
対向電極において、陽極接合時の高温、高電圧による電
極の劣化を防止することができ、製造歩留まりを下げる
ことなく効率よく製造することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電極構造の構成図である。

【図２】 本発明の電極構造を例示するマイクロポンプ
の断面図である。

【図３】 本発明の第１の実施例による接点電極の図で
ある。

【図４】 本発明の第１の実施例に示す接点信号の図で
ある。

【図５】 本発明の第４の実施例によるインクジェット
ヘッドの対向電極を示す断面図である。

【図６】 従来技術に例示される静電リレーの構成図で
ある。

【図７】 陽極接合の従来技術による電極構造を示す図
である。

【符号の説明】

１ 第一基板 ２ 第一下地層 ３ 第一表面層 ４ 第一導電化層 ５ 第二基板 ６ 第二下地層 ７ 第二表面層 ８ 第二導電化層 ５１ 半田 ５２ 金層 ５３ ニッケル層 ５４ 金層 ５５ クロム層 ５６ 基板 ２０１a,b,c ガラス基板 ２０５ シリコン基板 ２２０ 入口バルブ用ダイヤフラム ２２１ 圧電素子 ２２２ 駆動用ダイヤフラム ２２３ 出口バルブ用ダイヤフラム ２２４ 検出回路 ２２５ リード電極 ２２６ 出口側バルブ ２２７ 入口側バルブ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の基板表面上に形成された第一導電
   化層と、第二の基板表面上に形成させた第二導電化層と
   からなり、第一及び第二導電化層の間隙を３００ミクロ
   ン以内となるように相対向する該両基板を近接させて作
   動させる対向電極において、第一導電化層または第二導
   電化層の少なくともどちらかの最表面層をプラチナまた
   はプラチナ合金膜で構成させたことを特徴とする対向電
   極。
2. 【請求項２】 前記プラチナ合金膜の成分がイリジウ
   ム、パラジウム、金、ニッケルより選ばれ、その含有量
   が５０wt％以下であることを特徴とする請求項１記載の
   対向電極。
3. 【請求項３】 前記第一の基板または第二の基板のどち
   らか一方が中央部に凸部を持ったダイヤフラム構造を有
   し、ダイヤフラム構造の中央部に凸部を有する基板がシ
   リコンで、対向基板がガラスとからなる前記第一及び第
   二の基板であって、両者は陽極接合されることを特徴と
   する請求項１記載の対向電極。
4. 【請求項４】 前記第一の基板及び第二の基板がともに
   シリコンからなり、該基板のどちらか一方がダイヤフラ
   ム構造を有し、両者はガラス薄膜を介して陽極接合され
   ることを特徴とする請求項１記載の対向電極。
5. 【請求項５】 前記プラチナ及びプラチナ合金膜はマス
   キングスパッタ法、またはリフトオフ法により成膜され
   ることを特徴とする請求項１記載の対向電極。