(57)【要約】【課題】金属粉末や多数のアルミ箔球を使用せず、電波感応部分を電極とショットキー接合して一体化することにより、スイッチング状態を安定に維持する。【解決手段】電極間を、結晶格子欠陥とインダクタンス成分を有する金属酸化皮膜を介してショットキー接合することで、一定強度以上の入射電波により電極間のショットキー障壁厚さを減少させることで導通状態とし、入射電波消滅後においてもスイッチング状態を維持するとともに、ショットキー接合部の結晶格子を格子振動させることによって電極間のショットキー障壁を復活させて絶縁状態とする。また、スパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ、あるいは導電性塗料の印刷のいずれかの方法により、金属酸化皮膜上に電極を形成してショットキー接合する。また、電波感応スイッチ素子は１０μＨ〜１０００μＨのインダクタンス成分を有する。【選択図】      図１
2004245670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極間を、結晶格子欠陥とインダクタンス成分を有する金属酸化皮膜を介してショットキー接合することで、一定強度以上の入射電波により電極間のショットキー障壁厚さを減少させることで導通状態とし、入射電波消滅後においてもスイッチング状態を維持するとともに、ショットキー接合部の結晶格子を格子振動させることによって電極間のショットキー障壁を復活させて絶縁状態とすることを特徴とした電波感応スイッチ素子。
【請求項２】
スパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ、あるいは導電性塗料の印刷のいずれかの方法により、金属酸化皮膜上に電極を形成してショットキー接合したことを特徴とする請求項１記載の電波感応スイッチ素子。
【請求項３】
１０μＨ〜１０００μＨのインダクタンス成分を有することを特徴とした請求項１または２記載の電波感応スイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電波に感応して電気伝導度が不可逆的に低下するスイッチング現象を利用した電波感応スイッチ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電波に感応して電気伝導度が不可逆的に低下するスイッチング現象を利用した技術は、１９０２年にマルコーニが無線通信の電波検知器として利用したコヒーラが最初である。
従来、「コヒーラの作動は金属粉末（ニッケル粉と銀粉）をガラス管の中にゆるく充填し、相対する電極に接触した状態に保持すると、通常は、金属粉末の表面に自然に形成した酸化膜のために電気的に絶縁状態になるが、衝撃電波を受けると金属粉同士が凝集（コヒール）して、導通状態になり、機械的振動を与えると金属粉末同士の接触部分がずれて（デコヒール）、元の絶縁状態に戻る。」と定説的に説明されてきた。その結果、金属粉末を相対する電極間にゆるく詰めて使用したため、僅かな振動でも絶縁状態に戻る等、金属粉末と電極との接触状態が安定せず、従来のコヒーラは有用な実用技術ではなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、電極間に金属紛末を加圧充填してコヒーラの動作安定性を向上させる工夫がなされたが、金属粉末を使用するという基本技術は従来と同じであったため、金属粉末同士の接触不安定に起因するトラブルは解消されなかった。
【特許文献１】特許２６９１４６８号。作用、実施例および図２。
【０００４】
【目的】
そこで、本願発明者は、多数の金属粉末やアルミ箔球を電極への接触させるのみで使用することが、従来コヒーラの作動不安定の原因であると考え、金属粉末や多数のアルミ箔球を使用せず、電波感応部分を電極とショットキー接合して一体化することにより、スイッチング状態を安定に維持することを可能とした新規な電波感応スイッチ素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本願発明に係る電波感応スイッチ素子は以下のように構成している。
すなわち、第一発明では、電極間を、結晶格子欠陥とインダクタンス成分を有する金属酸化皮膜を介してショットキー接合することで、一定強度以上の入射電波により電極間のショットキー障壁厚を減少させ、トンネル効果で導通状態とし、入射電波消滅後においてもスイッチング状態を維持するとともに、ショットキー接合部の結晶格子を格子振動させることで電極間のショットキー障壁を復活させて絶縁状態とすることを特徴とする。
【０００６】
第二発明では、第一発明における金属酸化皮膜上に、スパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ、あるいは導電性塗料の印刷のいずれかの方法により、一方または双方の電極を形成してショットキー接合したことを特徴とする。
【０００７】
第三発明では、第一および第二発明における電波感応スイッチ素子が１０μＨ〜１０００μＨのインダクタンス成分を有することを特徴としている。
【０００８】
以下、本願発明に係る電波感応スイッチ素子について詳述することにする。
発明者は、コヒーラの作動原理を電子デバイス理論に照らして見直す実験を鋭意行った結果、コヒーラ現象は電波で金属粉末が凝集したり、機械振動で金属粉末同士の接触面がずれるという単純な物理現象ではなく、電子のトラップに起因するトンネル効果による特殊なスイッチング現象であることを見出した。
【０００９】
［新しく確認されたコヒーラの作動原理］
電極と金属酸化皮膜（金属酸化物）からなるショットキー接合部は、通常はショットキー障壁により絶縁状態であるが、金属酸化皮膜が有効なインダクタンス成分を持つ場合、衝撃電波を受けると１μ秒程度の間、誘起電圧が発生する。その誘起電圧がショットキー障壁以上であるとサージ電流が流れて励起電子が発生する。
【００１０】
更に、ショットキー接合部である金属酸化皮膜中に十分な密度の格子欠陥が存在する場合には、バリスタと同様に、発生した励起電子がその格子欠陥にトラップされ、同時に正孔が発生する。これらの電子と正孔が相互に影響して再分布し、より低いエネルギーレベルに収斂する結果として、ショットキー障壁が１ｎｍ程度の厚さに減少して、トンネル効果で導通状態になる。
【００１１】
ショットキー障壁を利用したバリスタやショットキーバリアダイオードと異なり、この導通状態は準安定状態であり、サージ電流が無くなった後も、導通状態が維持されるスイッチング現象が生じる。導通状態でショットキー接合部の結晶格子に格子振動を加えると、量子化された結晶格子振動を介してトラップ電子と正孔が再結合する間接バンド間遷移が起こり、トラップ電子が消滅する。このため、ショットキー障壁が復活してトンネル効果が消滅して、元の絶縁状態に戻る。
【００１２】
すなわち、入射電波により電極間のショットキー障壁厚を減少させて、入射電波消滅後でも絶縁状態に戻らない不可逆のスイッチング状態にするとともに、ショットキー接合部の結晶格子を格子振動させることによって電極間のショットキー障壁を復活させて絶縁状態とするから、従来のコヒーラのように互いに接触する金属粉末やアルミ箔球が相互にずれ得るような接触状態に保つ必要はない。
この知見に基づき、本願発明者は表面にアルミナ皮膜が形成されたアルミニウムに、アルミニウム等の金属電極を接触させた各種のソリッド型電波感応スイッチ素子を作成したところ、衝撃電波に対して安定して感応する電波感応スイッチ素子となることを確認した。
【００１３】
この知見によれば、電波感応スイッチ素子は、電極金属と金属酸化物がショットキー接合を形成し、その接触部分に十分な格子欠陥密度と、ショットキー障壁以上の誘起電圧を発生させるに十分な大きさのインダクタンスを有するものであれば、どんな金属と金属酸化物でもよい。従って、材料をアルミニウムとその酸化物等に限定するものではない。
【００１４】
また、電波感応スイッチ素子を電気回路内で利用する場合にアルミニウムを例に説明すると、２．５Ｖ以上の誘起電圧を得るためには、ショットキー接合部であるアルミナ皮膜のインダクタンスが１０μＨ〜１０００μＨ程度になるようにすればよい。インダクタンスが１０μＨよりも小さいと電波感応スイッチ素子として電波に感応しにくくなり、逆に１０００μＨよりも大きいと電波感応させるための入射電波強度を大きくしなければならないからである。この範囲内であれば、本願発明の電波感応スイッチ素子は通常の中波帯電波には作動しないことを確認している。インダクタンスの制御は、結晶構造を制御した状態で金属酸化皮膜を成長させれば、皮膜厚さで管理することもできる。
【００１５】
さらに、金属酸化皮膜に接合する電極は、単にショットキー接合により接触させる他、スパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成したり、または導電性塗料を印刷することで、金属酸化皮膜と電極間の電気的導通を確実なものとすることもできる。例えば、フォトリソグラフィーにより、アルミナ皮膜表面にアルミニウム又は銅を真空蒸着することで、アルミナ皮膜表面に電極をショットキー接合することができる。
【００１６】
【発明の実施形態例】
以下、本願発明の具体的実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。図１から図５は本実施形態における電波感応スイッチ素子の説明図である。以下の各実施例における陽極酸化処理したアルミニウム薄板１０、２０および３０、アルミニウム棒４０、アルミニウム塊体５０のインダクタンスは１０〜２０μＨ程度であり、酸化皮膜の格子欠陥密度は１０１８／ｃｍ３程度である。
【００１７】
［実施例１］
図１に示すように、両面を陽極酸化処理したアルミニウム薄板１０の酸化皮膜１０ａ、１０ａに、アルミニウム電極１１、１１をショットキー接合状態になるように取り付けた。アルミニウム電極１１、１１の末端には、銅のリード線Ｌ、Ｌを接続し、全体を樹脂Ｒで覆って電波感応スイッチ素子１とした。
【００１８】
［実施例２］
図２に示すように、片面を陽極酸化処理したアルミニウム薄板２０の酸化皮膜２０ａに、アルミニウム電極２１をショットキー接合状態になるように取り付けた。もう一方のアルミニウム電極２１は酸化皮膜を形成していないアルミニウム薄板２０の裏面に溶接した。各々のアルミニウム電極２１、２１には、銅のリード線Ｌ、Ｌを接続し、全体を樹脂Ｒで覆って電波感応スイッチ素子２とした。
【００１９】
［実施例３］
図３に示すように、片面を陽極酸化処理したアルミニウム薄板３０の酸化皮膜３０ａに、２本のアルミニウム電極３１、３１をショットキー接合状態になるように取り付けた。なお、酸化皮膜３０ａ上における２本のアルミニウム電極３１、３１は相互に２ｍｍ程離隔した状態で取り付けている。次に、各々のアルミニウム電極３１、３１に銅のリード線Ｌ、Ｌを接続し、全体を樹脂Ｒで覆って電波感応スイッチ素子３とした。
【００２０】
［実施例４］
図４に示すように、先端側の表面を陽極酸化処理した一対の直径１ｍｍのアルミニウム棒４０、４０を用意し、先端側の酸化皮膜４０ａ、４０ａ同士を寄り添うように曲げて酸化皮膜４０ａ、４０ａ間がショットキー接合状態になるように接触させると共に、足側はプラスチック底板４１を貫通させて固定した。プラスチック底板４１を貫通させたアルミニウム棒４０、４０の足側には銅のリード線Ｌ、Ｌを接続して、プラスチック底板４１の上側全体を樹脂Ｒで覆って電波感応スイッチ素子４とした。
【００２１】
［実施例５］
図５に示すように、両面を陽極酸化処理した４ｍｍ角で厚さ１２μｍのアルミニウム箔片を直径２ｍｍ程度の略円盤状に折畳んでアルミニウム塊体５０とした。次に、先端をＴ字型に加工したアルミニウム端子５１、５１を用いてアルミニウム塊体５０の酸化皮膜５０ａを両側から保持してショットキー接合状態とすると共に、筒状絶縁ケース５２に挿入して電波感応スイッチ素子５とした。
【００２２】
実施例１〜５における電波感応スイッチ素子１〜５は、入射電波によりスイッチング状態となり、入射電波消滅後においてもスイッチング状態が維持されることが確認され、ショットキー接合部である酸化皮膜に結晶格子振動を与えるとスイッチング状態が解除された。
【００２３】
【発明の効果】
本願発明の電波感応スイッチ素子は、従来のコヒーラのように金属粉を電極間に詰めるのではなく、特定された特性の金属酸化物をソリッドな接合状態で電極とショットキー接続することにより、コヒーラの最大の欠点であった設置状態に影響される作動不安定を解消できると同時に大幅な小型化に成功したものである。この改良により、コヒーラは、電子機器に利用できる汎用的な電子デバイスに生まれ変わった。
【００２４】
すなわち、本発明の電波感応スイッチ素子は、単に電波検知や雷センサーとしての利用だけでなく、リモコン電波に感応してダイレクトに作動する自励型の電波感応スイッチ素子として利用することもできる。従って、あらゆる家電機器の省エネルギーニーズに対応する新しい技術に端緒を開くものであり、その効果は、発明当初のトランジスタが点接触型であったために信頼性が乏しく、ｐｎ接合型トランジスタの発明によって初めて汎用的に実用化されたことと共通性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態１における電波感応スイッチ素子の説明図である。
【図２】本実施形態２における電波感応スイッチ素子の説明図である。
【図３】本実施形態３における電波感応スイッチ素子の説明図である。
【図４】本実施形態４における電波感応スイッチ素子の説明図である。
【図５】本実施形態５における電波感応スイッチ素子の説明図である。
【符号の説明】
１  電波感応スイッチ素子
１０  アルミニウム薄板（両面酸化皮膜）
１０ａ  酸化皮膜
１１  アルミニウム電極
２  電波感応スイッチ素子
２０  アルミニウム薄板（片面酸化皮膜）
２０ａ  酸化皮膜
２１  アルミニウム電極
３  電波感応スイッチ素子
３０  アルミニウム薄板（片面酸化皮膜）
３０ａ  酸化皮膜
３１  アルミニウム電極
４  電波感応スイッチ素子
４０  アルミニウム棒（先端側酸化皮膜）
４０ａ  酸化皮膜
４１  プラスチック底板
５  電波感応スイッチ素子
５０  アルミニウム塊体
５０ａ  酸化皮膜
５１  アルミニウム端子
５２  筒状絶縁ケース
Ｌ  リード線
Ｒ  樹脂
【図１】
2004245670.tif 000003
【図２】
2004245670.tif 000004
【図３】
2004245670.tif 000005
【図４】
2004245670.tif 000006
【図５】
2004245670.tif 000007