(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシックなセラミック構造体と、
前記モノリシックなセラミック構造体の内部に配置されるマイクロキャビティのアレイ（１２、２４、４６、５０）と、
前記モノリシックなセラミック構造体に埋め込まれた第１電極（１６、２６、３４、３８、４２、５２、５６）であって、前記第１電極は前記マイクロキャビティアレイ内の複数のマイクロキャビティに近接して配置され、前記第１電極は前記モノリシックなセラミック構造体の薄肉部により前記複数のマイクロキャビティから絶縁されている、第１電極と、
前記モノリシックなセラミック構造体に埋め込まれた第２電極（１８、２８、３６、４０、４４、５４、５８）であって、前記第２電極は前記複数のマイクロキャビティの少なくとも１つに近接して配置され、前記第２電極は前記モノリシックなセラミック構造体の薄肉部により前記複数のマイクロキャビティの前記少なくとも１つから電気的に絶縁され、前記第２電極は前記第１電極と協働するように配置され、前記第１電極と前記第２電極間に時間変化電圧を印加することにより、前記複数のマイクロキャビティの前記少なくとも１つ内の放電を点火する、第２電極と、
を備えるマイクロキャビティプラズマデバイス。
【請求項２】
前記第１電極および前記第２電極は実質的に同一平面上にあって平行であり、前記複数のマイクロキャビティの両側に配置される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも１つは、前記複数のマイクロキャビティうちの１つの列のマイクロキャビティの隣接するマイクロキャビティの間に突き出ている電極セグメントを含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記複数のマイクロキャビティうちの１つの列のマイクロキャビティの隣接するマイクロキャビティの間に配置された第３電極（４４ａ、４８）をさらに備える、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記複数のマイクロキャビティのそれぞれが、前記モノリシックなセラミック構造体の深さにより変化する断面を有する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項６】
前記複数のマイクロキャビティのそれぞれが、前記モノリシックなセラミック構造体の深さにより変化する断面を有し、前記第１電極および前記第２電極は前記複数のマイクロキャビティの壁面に平行に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記複数のマイクロキャビティのそれぞれが切頭円錐形マイクロキャビティを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１電極および前記第２電極のそれぞれの形状は、前記第１および第２電極のそれぞれと、前記複数のマイクロキャビティのうちの最も近いマイクロキャビティの縁部との間の前記モノリシックなセラミック構造体の厚みが一定となるように、形成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１電極および前記第２電極は平行平面に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１電極および前記第２電極は相互に交差する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１電極および前記第２電極のうちの一方は、前記複数のマイクロキャビティを取り囲み、前記モノリシックなセラミック構造体の薄いリング部分により前記複数のマイクロキャビティのそれぞれの縁部から分離されている、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記マイクロキャビティのアレイはマイクロキャビティの列を備え、
前記第１電極は前記複数のマイクロキャビティのうちのマイクロキャビティ列に近接して配置された複数のアドレス電極を備え、
前記第２電極は前記マイクロキャビティの列に近接して配置された複数の維持電極を備える、
請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記複数の第１電極は第１電極接触部で終端し、前記モノリシックなセラミック構造体は前記第１電極接触部に対して第１コネクタを画定し、
前記複数の第２電極は第２電極接触部で終了し、前記モノリシックなセラミック構造体は前記第２電極接触部に対する第２コネクタを画定する、
請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記複数の第１電極のそれぞれは前記マイクロキャビティの行のうちのそれぞれのマイクロキャビティより大きい直径を有する第１穴を含み、前記マイクロキャビティの行のうちの前記マイクロキャビティは前記第１穴のそれぞれの穴を通過し、
前記複数の第２電極のそれぞれは、前記マイクロキャビティの列のうちのそれぞれのマイクロキャビティより大きい直径を有する第２穴を含み、前記マイクロキャビティの列のうちの前記マイクロキャビティは前記第２穴のそれぞれの穴を通過する、
請求項１２に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、堅牢であり個々にアドレス指定可能な、マイクロ放電またはマイクロプラズマデバイスとしても知られているマイクロキャビティプラズマデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロキャビティプラズマ、すなわち特性空間寸法＜１ｍｍを有するキャビティに限定されるプラズマは、従来のマクロ放電に勝るいくつかの明らかな利点を有する。例えば、マイクロキャビティプラズマデバイスは物理的寸法が小さいため、これらデバイスは、例えば蛍光ランプ内で生成されるマクロ放電で利用する圧力よりかなり高いガス圧力または蒸気圧力で動作することが可能になる。円筒形マイクロプラズマデバイスのマイクロキャビティの直径が、例えば約２００−３００μｍのオーダー以下である場合、デバイスは大気圧以上の圧力で動作することができる。対照的に、標準の蛍光ランプは通常、大気圧の１％未満の圧力で動作する。また、マイクロプラズマデバイスは様々な放電媒体（ガス、蒸気またはこれらの組み合わせ）で動作して、スペクトルの可視、紫外線および赤外線部分の放射光を発生する。マイクロプラズマデバイスの別の固有の特徴、すなわちプラズマへの大電力集中（通常、数十ｋＷ／ｃｍ３またはそれ以上）は、既知の光放射源である原子および分子の効率的生成をもたらす一因である。結果的に、上述の高圧動作ならびに電子およびガス温度を含む、マイクロプラズマデバイスの特性のため、マイクロプラズマは効率的な光放射源である。
【０００３】
マイクロキャビティプラズマデバイスは過去１０年にわたり、広範囲な用途に対して開発されてきた。マイクロプラズマのアレイの例示的な用途はディスプレイ領域にある。例えば、１０μｍの小さい特性寸法（ｄ）を有する単一の円筒形マイクロプラズマデバイスが実証されているため、デバイスまたはデバイス群はディスプレイにおけるピクセルに対して好ましい空間分解能を提供する。マイクロキャビティプラズマデバイスにおける発生の効率に加えて、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）の中心における紫外光は、プラズマテレビにおいて現在使用されている放電構造体の効率を大幅に上回る。
【０００４】
初期のマイクロプラズマデバイスは直流（ＤＣ）電圧により駆動され、金属電極へのスパッタリング損傷を含む、いくつかの理由のため寿命が短かった。デバイス設計および製作における改善は寿命を大幅に延ばしたが、材料コストを最小化および大型アレイの製作は引き続き重要な問題点である。また時間変化電圧により励起されるより最近開発されたマイクロプラズマデバイスは、寿命が第１の関心事である場合に好ましい。
【０００５】
本発明者およびイリノイ大学の同僚による研究は、マイクロキャビティプラズマデバイス分野の先駆であり、この分野を発展させてきた。この研究の結果は、１つまたは複数の重要な特徴および構造を備える実用デバイスを実現している。これらのデバイスの大半は数十ｋＷ−ｃｍ−３から１００ｋＷ−ｃｍ−３を超える電力負荷で連続的に動作することができる。実現されているこのようなデバイスの１つは、光増幅器およびレーザを励起するために設計されるマイクロプラズマの多重セグメント線形アレイである。また、半導体におけるガス（または蒸気）相プラズマと正孔プラズマとを整合する能力が実証されている。半導体および微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）により大きく発展した製作プロセスは、これらのマイクロキャビティプラズマデバイスの多くを製作するのに利用されている。
【０００６】
本発明者およびイリノイ大学の同僚による研究の結果は、例示的な実用デバイスを実現している。例えば、半導体製作プロセスを利用して、均一な放射特性を示す高密度のマイクロプラズマデバイスのアレイを実証してきた。シリコン内に形成されるアレイは、有効面積２５ｃｍ２内に２５０，０００個ものマイクロプラズマデバイスを備え、アレイ内の各デバイスは通常５０μｍ×５０μｍの放射開口を有する。このようなアレイを用いてプラズマディスプレイパネルに類似する方法で蛍光体を励起でき、かつ、従来のプラズマディスプレイパネルでは現在まで達成されていない発光有効性の値が得られることが実証されている。別の重要なデバイスは高感度を示すマイクロキャビティプラズマ光検出器である。アレイ内に分散されるマイクロプラズマの位相ロッキングもまた実証されている。
【０００７】
以下の米国特許および特許出願は、これらの研究成果から得られるマイクロキャビティプラズマデバイスを記載している。すなわち、米国特許出願公開第２００５０１４８２７０号明細書「マイクロ放電デバイスおよびアレイ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  ａｒｒａｙｓ）」；米国特許出願公開第２００４０１６０１６２号明細書「マイクロ放電デバイスおよびアレイ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  ａｒｒａｙｓ）」；米国特許出願公開第２００４０１００１９４号明細書「マイクロ放電光検出器（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）」；米国特許出願公開第２００３０１３２６９３号明細書「テーパ形マイクロキャビティを有するマイクロ放電デバイスおよびアレイ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  ａｒｒａｙｓ  ｈａｖｉｎｇ  ｔａｐｅｒｅｄ  ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ）」；米国特許第６，８６７，５４８号明細書「マイクロ放電デバイスおよびアレイ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  ａｒｒａｙｓ）」；米国特許第６，８２８，７３０号明細書「マイクロ放電光検出器（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）」；米国特許第６，８１５，８９１号明細書「マイクロ放電を励起する方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ｅｘｃｉｔｉｎｇ  ａ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ）」；米国特許第６，６９５，６６４号明細書「マイクロ放電デバイスおよびアレイ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  ａｒｒａｙｓ）」；米国特許第６，５６３，２５７号明細書「多層セラミックマイクロ放電デバイス（Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｄｅｖｉｃｅ）」；米国特許第６，５４１，９１５号明細書「高圧アークランプ補助型始動デバイスおよび方法（Ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ａｒｃ  ｌａｍｐ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｓｔａｒｔ  ｕｐ  ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ）」；米国特許第６，１９４，８３３号明細書「マイクロ放電ランプおよびアレイ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｌａｍｐ  ａｎｄ  ａｒｒａｙ）」；米国特許第６，１３９，３８４号明細書「マイクロ放電ランプ形成プロセス（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｌａｍｐ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）」；および米国特許第６，０１６，０２７号明細書「マイクロ放電ランプ（Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｌａｍｐ）」、に記載されている。
【０００８】
米国特許第６，５４１，９１５号明細書は、個々のデバイスが、セラミックを含む材料から機械加工されたアセンブリに組み込まれているマイクロキャビティ・プラズマデバイス・アレイを開示している。金属電極は、マイクロキャビティ内および電極間に生成されるプラズマ媒体に曝される。米国特許第６，１９４，８３３号明細書もまた、基板がセラミックであり、シリコンまたは金属フィルムがその上に形成されるアレイを含む、マイクロキャビティ・プラズマデバイス・アレイを開示している。キャビティの上部および底部に形成される電極ならびにシリコン、セラミック（またはガラス）マイクロキャビティ自体はプラズマ媒体と接触する。米国特許出願公開第２００３／０２３０９８３号明細書は低温セラミック構造体内で生成されるマイクロキャビティプラズマを開示している。積重ねセラミック層はキャビティを形成するように構成および微細加工され、中間導体層はプラズマ媒体を励起する。米国特許出願公開第２００２／００３６４６１号明細書は、電極がプラズマ／放電媒体と接触する、中空の陰極放電デバイスを開示している。
【０００９】
マイクロキャビティプラズマデバイスの開発はディスプレイ市場に重点をおいて続けられている。ディスプレイにおけるマイクロキャビティプラズマデバイスの最終的な有用性は、有効性（以前に述べた）、寿命およびアドレス指定可能性を含む、いくつかの重要な要素によって決まる。アドレス指定可能性は特に大半のディスプレイ用途において不可欠である。例えば、ピクセルを有するマイクロキャビティ放電群については、各マイクロプラズマデバイスは個別にアドレス指定可能でなければならない。
【００１０】
現在のフラットパネルディスプレイの問題解決方法には多くの欠点がある。広く利用されているフラットパネルディスプレイ技術は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）およびプラズマディスプレイパネルを含む。これらの技術は、テレビといった大画面方式に広く利用されている。ＬＣＤはまたコンピュータディスプレイに利用されている。小型電子デバイスもまた高コントラスト、高輝度、高分解能ディスプレイの必要性を有する。例えば、携帯情報端末（ＰＤＡ）および携帯電話機は高コントラスト、高分解能および高輝度のディスプレイにより利益を得る。
【００１１】
効率は、特に、電池式携帯端末といった携帯電源を利用する用途において問題である。電池式ディスプレイの動作寿命は電力消費に反比例するため、ディスプレイの効率の改善は電力源の寿命に直接影響する。しかし、効率はまた、大型の非携帯ディスプレイに関する問題でもある。従来のプラズマディスプレイパネルは通常、例えば、典型的にはピクセルに供給される電力の約１％を可視光に変換するという、低効率で動作する。この効率の改善は、ディスプレイ産業における優先事項であるが、従来のプラズマディスプレイの効率を向上するには、動作に必要な既に大きい維持電圧のさらなる増加を必要とするであろう。現在の研究は、プラズマディスプレイパネルガス混合物中のキセノン含有量を増加することに重点が置かれており、これは、付随する維持電圧の上昇を必要とすると予測され、ディスプレイの駆動電子回路のコストに悪影響を与える。プラズマディスプレイパネルおよび液晶ディスプレイパネルはまた、ディスプレイを密封するためにガラスを使用することから重くなる傾向があり、若干脆くなる可能性がある。
【００１２】
マイクロキャビティプラズマデバイスの使用を可能にする実用的な設計はフラットパネルディスプレイ産業の将来の展望を変えると予測される。標準的なフラットパネルディスプレイ技術と比較すると、マイクロプラズマデバイスは例えばより小さいピクセルサイズの可能性を提供する。小さいピクセルサイズはより高い空間分解能と直接つながる。加えて、試験結果では、マイクロプラズマデバイスは、プラズマディスプレイパネルにおける従来のピクセル構造において可能な効率に比べて高い効率で電気エネルギーを可視光に変換することを示した。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の好ましい実施形態は、セラミック基板内に画定されるマイクロキャビティアレイの構造体を提供するセラミック基板に形成されるマイクロキャビティプラズマアレイである。セラミック基板はまたセラミック基板内に埋め込まれている電極からマイクロキャビティを電気的に絶縁し、マイクロキャビティを相互に物理的に分離する。電極はセラミック基板内に埋め込まれ、電極間に時間変化電圧を印加することによりマイクロキャビティアレイ内のマイクロキャビティ中の放電を点火するように配置される。本発明の実施形態は電極のマイクロキャビティ配置を含み、これにより、個々のマイクロキャビティまたはマイクロキャビティ群のアドレス指定を可能にする。好ましい実施形態では、アドレス電極はマイクロキャビティの上に位置するか、またはマイクロキャビティを取り囲む。他の好ましい実施形態では、マイクロキャビティの列はセラミックに埋め込まれているペアの実質的に同一平面上の平行な電極間に形成される。
【００１４】
本発明のマイクロキャビティ・プラズマデバイス・アレイの好ましい実施形態はセラミック基板内に形成され、このセラミック基板はセラミック内に画定されるマイクロキャビティのための構造体を提供する。セラミック基板はまたセラミック基板内に埋め込まれる電極からマイクロキャビティを電気的に絶縁する。セラミックにより提供される別の機能は、マイクロキャビティ壁面の形状が、セラミックの誘電定数およびマイクロキャビティ内のガス圧力と合わせて、マイクロキャビティ内の電場の形状における制御、したがって、マイクロキャビティ内に生成される放射の空間依存性を提供することである。電極は電極間に時間変化電圧を印加して、マイクロキャビティアレイ内のマイクロキャビティ中の放電を点火するように配置されている。本発明の実施形態は、個々のマイクロキャビティまたはマイクロキャビティ群のアドレス指定を可能にする電極マイクロキャビティ配置を含む。
【００１５】
本発明の別の好ましい実施形態のマイクロキャビティ・プラズマデバイス・アレイは、セラミック基板内に配置されるマイクロキャビティアレイを有するセラミック基板を含む。第１電極はセラミック基板に配置されるセラミック内に埋め込まれる。第１電極はセラミック基板内に埋め込まれ、アレイ内の複数のマイクロキャビティに近接して配置される。第２電極は、第１電極が近接しているマイクロキャビティの少なくとも１つに近接しており、またセラミック基板内に埋め込まれ、これにより、マイクロキャビティと他の電極の両方から電極を電気的に絶縁する。第１および第２電極は、第１電極と第２電極間に時間変化電圧を印加して、少なくとも１つのマイクロキャビティ内の放電を点火するように配置される。
【００１６】
好ましい実施形態では、電極は同一または実質的に同一平面にあり、相互に平行である。本発明のデバイスは、好ましくは低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）、すなわち積み重ねて所望の構造体を実現できる薄いシートにして利用可能な材料を用いて形成される。好ましい実施形態のデバイスのセラミックパッケージは、キャパシタ、レジスタおよび能動デバイスといった電子デバイスと容易に一体化される。
【００１７】
次に、好ましい実施形態が図面に関して説明される。図面は概略図を含み、これら図面は、当業者であれば添付の説明を参照して完全に理解されるであろう。特徴は説明の目的で強調されることもある。好ましい実施形態から、当業者は本発明のより広範な態様を認識するであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に図面、詳細には図１を参照する。図１は、好ましい実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイ１０の一部の部分的な透視概略図であり、狭い間隔を空けたマイクロキャビティ１２がセラミック基板１４内に形成されている。１対の電極１６および１８がセラミック基板内に埋め込まれている。マイクロキャビティ１２の断面は円筒形であり、例えば、少なくとも２０μｍの小さい直径、しかし典型的には５００μｍ以下の直径を有する。各マイクロキャビティ内にプラズマ（放電）が生成される。電極１６、１８はマイクロキャビティ１２からある距離だけ間隔を空けており、これによりマイクロキャビティ１２内に含まれる放電媒体（プラズマ）から電極１６、１８を絶縁する。この配置によって、電極１６、１８間に時間変化（ＡＣ、ＲＦ、二極性またはパルス状ＤＣ他）電圧を印加することにより、ガス状または蒸気媒体を励起して、各マイクロキャビティ内にマイクロプラズマを生成できる。
【００１９】
セラミック材料１４は好ましくは低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）であり、このセラミックはマイクロプラズマから電極１６、１８を保護する。これは、デバイスの寿命を制限する、電極のスパッタリングを回避する。この設計の利点は、ＬＴＣＣの処理に対する技術が進歩していることである。図１の構造体を再現して、高密度のマイクロキャビティ１２を大きなアレイとして実現してもよい。マイクロキャビティ１２は円筒形として示されているが、長方形の溝といった他の断面もまた適用できる。低温焼成セラミックから構成される構造体は薄い層から、１度に１つの層で形成されてもよく、全体のプロセスは自動化されてもよい。電極のスクリーン印刷を含むこれらのプロセスは、例えば、自動車電子機器および携帯電話産業において広範に使用される。図１の例示的な実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイ１０は、マイクロキャビティ１２の列１２が堅牢な一体構造で同時に励起されるディスプレイを製作できる。
【００２０】
あるいは、単一マイクロキャビティをアドレス指定することを達成できる。図２は、例えばピクセルを構成する、個々のマイクロキャビティのアドレス指定可能性を提供する好ましい実施形態のマイクロキャビティプラズマアレイを示している。個々のアドレス指定可能性は様々な用途、詳細にはディスプレイ用途および生物医学診断において重要である。デバイスは図２に示されており、ＬＴＣＣ材料の多重層２２ａ、２２ｂから形成されている。層２２ａは層２２ｂと基本的に同一であり、複数の整列したマイクロキャビティ２４を画定する。層２２ｂは薄く、平行平面を横方向に走る、第１電極２６および第２電極２８を形成するためのベース体を提供するのに役立つ。
【００２１】
第１電極２６は一般に相互に平行であり、同一平面または実質的に同一平面にあり、第２電極２８も同様である。図示された実施形態では、マイクロキャビティ２４の列は各隣接するペアの第１電極２６間に配置される。マイクロキャビティ２４の列がすべての隣接するペアの第１電極２６間に位置してもよいが、これは必ずしも必要ではない。各マイクロキャビティはまた隣接するペアの第２電極２８により境界を定められている。すなわち、いずれかのマイクロキャビティ２４の軸に沿って見た場合、そのマイクロキャビティは隣接するペアの第１電極２６と隣接するペアの第２電極２８との間にあることが確認される。マイクロキャビティの軸は、第１電極２６および第２電極２８により画定される平面に名目上垂直である。
【００２２】
第１電極は一体として第１電極アレイを形成する。第２電極は一体として第２電極アレイを形成する。１つの実施形態では、各マイクロキャビティは第１電極アレイおよび第２電極アレイにより画定される平面と交差する。別の実施形態では、この交差は必ずしも必要ではない。アレイ内の個々のマイクロキャビティは、特定のペアの隣接する第１電極２６と特定のペアの隣接する第２電極２８とに適切な大きさの時間変化電圧を印加することによりアドレス指定される。１つのペア電極はアドレス電極として働き、１つのペア電極は維持電極として働く。各ペアの電極に印加される電圧の大きさは一般に等しくなく、マイクロキャビティ内のガス、ガス圧力、マイクロキャビティおよび電極アレイの大きさに依存する。
【００２３】
当業者にはまた、マイクロキャビティ群もまたアドレス指定できることが理解されるであろう。マイクロキャビティ群の励起は、当業者により理解されるとおり、同時に複数の隣接する電極を励起することにより実現できる。多くの他のアドレス指定方式が、様々なアドレス指定方式を可能にする本発明の例の実施形態と同様に、当業者には明白であろう。
【００２４】
セラミック薄板２２ａの両端には開口３０が配置され、電極アレイ２６および電極アレイ２８の各電極に対する電気接続に対応する。なお、第１電極２６は第２電極２８に直角であるため、上位層２２ａの開口３０は、下位層（または薄板）２２ａの開口部３０とは異なる層２２ａの端部にある。第１電極２６および第２電極２８のアレイは様々なプロセスにより製作できる。１つの低コストの方法は白金または銀ペーストからのスクリーン印刷であるが、他の導電性材料もまた利用可能である。同様に、第１電極２６および第２電極２８のアレイへの電気接続は、金属ペーストの使用を含む、多くの既知の方法により生成できる。
【００２５】
図２のデバイスを製作するために、薄板２２ａおよび２２ｂは特定のサイズに切断され、穴のパターン（マイクロキャビティ２４および開口３０）がシート２２ａおよび２２ｂに形成され、電極アレイ２６および２８がセラミック薄板２２ｂ上に形成される。シート２２ａおよび２２ｂが位置合わせされた後、加熱しながら一緒に加圧される。この処理により、第１電極２６および第２電極２８がセラミックに埋め込まれ、ペアの隣接する電極がマイクロキャビティ２４の各列の上に置かれる、一体構造のセラミック構造体を形成する。ＬＴＣＣ内にアレイを形成する利点は、自動化プロセスの利用可能性および高温および化学的活性環境におけるこの材料の安定性を含む。
【００２６】
本発明のマイクロキャビティプラズマアレイは、様々なサイズ、幾何学的配置およびマイクロキャビティのアドレス指定方式において、当業者には理解されるとおり、このようなプロセスにより製作できる。単に例示目的のために、図２によるアレイは約５０ｍｍの長さおよび幅Ｘを有する。マイクロキャビティ２４間のピッチは４ｍｍである。マイクロキャビティ２４のアレイと基板の縁部との間の距離Ｂは１１ｍｍである。マイクロキャビティの直径Ｃは０．１１５ｍｍ（１１５μｍ）である。電極の端部と基板の縁部との間の距離Ｆは１０ｍｍである。電極間の幅および間隔Ｇは２ｍｍである。層２２ａの厚みＨは０．５ｍｍであり層２２ｂの厚みＩは０．２ｍｍである。電極２６および２８の厚みは約０．２ｍｍである。例示的な電極は金または銀の電極である。製作後のデバイスの全体の厚みは例えば約１．２から１．５ｍｍである。上と同じく、寸法は単に例としての実施形態である。当業者には、より大きいおよびより小さいアレイが形成され、マイクロキャビティの直径およびピッチは広範囲にわたって変化してもよいことは認識されるであろう。当業者にはまた、大規模なアレイが小さいアレイの複製から形成されてもよいことは認識されるであろう。
【００２７】
別の例として、図３は、製作され、検査されたマイクロプラズマデバイスアレイを示す。厳密には寸法は単に例示であり、製作され、検査されたアレイの詳細を提供するために示されている。図３Ａおよび３Ｂに示されている例のアレイは図１の実施形態と一致する。図１において用いられている参照符号は、図３Ａおよび３Ｂの例示的な実施形態の類似の特徴箇所を特定する。製作されたアレイにおいては、マイクロキャビティ１２は、図示されているとおり、１２７μｍまたは１８０μｍのいずれかの直径を有する円筒形である。埋め込まれた電極１６、１８は実質的に同一平面上にあり、電極の内側端間の間隔は２００μｍである。試験用のデバイス電極１６、１８は露出した接触部３１で終端する。
【００２８】
試験は本発明のアレイの動作特性を立証するために実施された。図４は図３Ａおよび３Ｂに示されている構造を有するアレイのＶ−Ｉ特性を示している。例としてのデバイスは７２個のマイクロキャビティの単一列から成るアレイであった。各マイクロキャビティは１２７μｍの直径を有した。図４に示されるデータは、アレイが２０ｋＨｚの周波数を有する両極（パルス化ＤＣ）波形を用いて励起されるときの、４００トールから７００トールの圧力のネオンガスに対して得られた。図４に示される測定された電気特性は正勾配を有し、放電が異常グローモードで動作していることを示している。したがって、アレイに対して外部の安定器を供給することは必要ではない。
【００２９】
本発明の別の利点は、マイクロキャビティ内に電場を生成できることである。詳細には、マイクロキャビティ壁面のセラミックの形状が、ガス圧力とガス（蒸気）自体の特質と合わせて、マイクロキャビティ内の電場強度の空間的変化を限られた範囲に決定する。
【００３０】
図３Ａおよび３Ｂの構造を有する試作デバイスが製作され、作動される。詳細には、２組のアレイが製作された。両方のアレイにおけるマイクロキャビティは１２７μｍまたは１８０μｍの直径を有する円筒形であった。マイクロキャビティ内で生成されるマイクロプラズマの画像はＣＣＤカメラおよび光学望遠鏡を用いて記録された。放射（およびマイクロキャビティ内の関連電場）は複数の要因により決定されるある一定角度領域に集中され、これら要因の１つはマイクロキャビティ壁面の曲率半径であることが、これらの画像（マイクロ写真）から明白である。言い換えると、電場は、セラミック／プラズマ界面の曲率のために、集中すなわち「集束」できる。本発明の実施形態は、従来のマイクロキャビティデバイス（励起電極ペアが２つの異なる平面にあるか、またはこれら電極ペア間の垂直方向分離を有し、その目的が一般に方位角的に均一であるマイクロプラズマを生成することであった）とは大幅に異なる特性を提供する。本発明のこの特性の用途は広範囲であって、大きな電場強度が生成されることを必要とする、特定の原子または分子種の生成を含む。本発明の実施形態は、実質的に同一平面の電極ペアまたはマイクロキャビティの軸に対して直角に位置合わせされる電極ペアを有する。これにより電場の集中が可能になる。また、セラミック／プラズマ界面の形状は図１、２、３Ａおよび３Ｂの円形から変更できる。セラミック／プラズマ界面の形状を変更することにより、他の放射パターンの生成が可能になる。
【００３１】
本発明の追加の実施形態は、図５−９に概略的に示されている。図５−９では、図１−３Ｂからの同一参照符号が同様の部分を示すために用いられる。図５Ａは実施形態の図５Ｂおよび５Ｃに適用できる、平面図の概略図である。図５Ａに示された構造は、図１、３Ａおよび３Ｂと同様に実質的に同一平面上の電極を含む。図５Ｂは電極１６、１８に電力を供給する方法を示す。詳細には、すべての他の電極は接地してもよい。図５Ｃは代替の実施形態を示しており、この実施形態では、２組の実質的に同一平面上の電極１６、１８および３４、３６が線形アレイの各マイクロキャビティ１２の間に設けられている。第１電極、例えば１６および３４はマイクロキャビティ１２を維持することに役立つのに対して、第２電極、例えば１８および３６は特定のマイクロキャビティ１２をアドレス指定するために使用できる。
【００３２】
図６には本発明の別の実施形態が示されている。マイクロキャビティ１２の単一列が示されており、必要に応じて、列は図１−５と同様に複製できる。図６では、第１および第２電極３８、４０は、各電極とマイクロキャビティの最も近い縁部と間のセラミックの厚みが一定になるように、形成される。図６による好ましい実施形態では、第１および第２電極３８、４０は実質的に同一平面上にある。
【００３３】
本発明の別の実施形態は、図７に示されたマイクロキャビティプラズマデバイスの線形アレイの平面図により示されている。この実施形態では、主電極は上と同じく実質的に同一平面上にあるが、第１および第２電極４２、４４は、列になっているマイクロキャビティ１２の間に突き出るセグメント４２ａ、４４ａを含む。これらの電極セグメント４２ａ、４４ａはアレイに対して点火電圧を低減するのに効果的である。図８の別の実施形態は、図７の実施形態と同様であるが、実質的に長方形断面を有するマイクロキャビティ４６を含む。図９は、第３組の電極４８が電極セグメント４２ａおよび４２ｂと置き換わることを除いて、図７および８の実施形態と同様の別の実施形態を示している。第３電極４８は実質的に同一平面上の第１または第２電極４２、４４のいずれにも電気的に接続されていない。これらの点火電極４８はセラミックに埋め込まれ、電極４２および４４から電気的に絶縁され、分離された電源により駆動することができる。
【００３４】
本発明の実施形態におけるマイクロキャビティはまた、セラミックの深さの関数として変化する断面を有することもできる。図１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃは切頭円錐形状を有するテーパ形マイクロキャビティ５０を含む本発明の実施形態を示している。図１０Ａの実施形態では、第１および第２埋込電極１６、１８は、例えば図１の実施形態と同様に実質的に同一平面上にある。断面が変化可能でいることにより、放電特性は電極の配置に強く依存する。Ｋの値は、各電極の内側端とマイクロキャビティ壁面との間のセラミックの厚みを決定する。セラミックの厚みの公称値は１μｍと５００μｍの間である。図１０Ｂの実施形態では、第１および第２電極５２、５４はマイクロキャビティ壁面と平行に向けられる。このような電極／マイクロキャビティ形状はいくつかの方法で製作でき、これらの方法の１つは円錐形のキャビティの内側上に金属を配置し、次に薄いセラミック層で金属をコーティングすることである。図１０Ｃは、本発明の１つの実施形態を示しており、この実施形態では埋込電極５６、５８は少なくとも２つのセクションを有し、これらセクションうちの一方はマイクロキャビティ５０と平行に位置する。
【００３５】
図１１Ａおよび１１Ｂに示される、本発明の別の実施形態では、マイクロプラズマデバイスは、図２の実施形態と同様の方法で個々にアドレス指定可能である。図１１Ａおよび１１Ｂの実施形態では、アドレス電極２６はマイクロキャビティ２４を取り囲む。薄いセラミックリング５６がマイクロキャビティ２４の縁部からアドレス電極を絶縁する。リング５６はマイクロキャビティから電極２６を距離Ｔだけ分離する。維持電極２８は実質的に同一平面上にあり、マイクロキャビティ２４の間で電極２６から距離Ｓの位置に配置される。アドレス電極および維持電極の両方はセラミック１０に埋め込まれ、必要に応じて、図１１の構造体は現在のＰＤＰで使用されるものと同一の方法および電子回路により駆動できる。
【００３６】
当業者であれば、本発明のマイクロキャビティプラズマアレイに関して多くの用途を認識するであろう。マイクロプラズマの低電力消費および高効率は、ディスプレイ用途に特に適したアレイを実現する。単一放電または放電群を組み合わせて、ディスプレイのピクセルを形成してもよい。放電により蛍光体を励起して、カラーディスプレイを形成してもよい。例えば色素標識付けされた生体分子の光励起といった生物医学診断は、これらのアレイに適した理想的な別の用途である。セラミックアレイはまた電子部品（キャパシタ、レジスタ、インダクタ他）と本発明のマイクロキャビティプラズマアレイとを一体化する可能性を提供する。
【００３７】
本発明の様々な実施形態が図示され説明されてきたが、他の変更形態、置換形態および代替形態は当業者には明らかであることは理解されるべきである。このような変更形態、置換形態および代替形態は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく実現可能であり、これらは添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。
本発明の様々な特徴は以下の特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の好ましい実施形態のマイクロ放電アレイの概略図である。
【図２】本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスの好ましい実施形態のアレイの分解斜視概略図である。
【図３】図３Ａは、セラミック内に形成されたマイクロキャビティプラズマデバイスの２つの線形アレイの側面（真横）断面図、図３Ｂは、セラミック内に形成されたマイクロキャビティプラズマデバイスの２つの線形アレイの平面断面図である。
【図４】図４は、図３Ａおよび図３Ｂの構造体を有する試験用のマイクロプラズマデバイスアレイの例示的なＶ−Ｉ特性を示している。
【図５】図５Ａは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの平面断面図、図５Ｂは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの側面断面図、図５Ｃは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの側面断面図である。
【図６】本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの平面図である。
【図７】本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの平面図である。
【図８】本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの平面図である。
【図９】本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの平面図である。
【図１０】図１０Ａは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの側面断面図、図１０Ｂは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの側面断面図、図１０Ｃは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの側面断面図である。
【図１１】図１１Ａは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの平面図、図１１Ｂは、本発明の追加の実施形態のマイクロキャビティプラズマデバイスアレイの側面断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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