JPH02197107A - 静電容量・電圧発生素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業、ヒの１ｊ　　分野 本発明は絶縁超薄膜とくにラングミュア・プロジェット
（Ｌ　Ｂ　）膜の極めて薄い絶縁膜を金属電極で挟み、
単位面積あたり非常に大きな静電容量を持つと同時に、
その電極間に直流電圧を発生する新しい素子に関、する
。

従来の技術 一般に静電容量素子すなはちコンデンサは絶縁体（８１
１体）膜をｔｆＬ極で挟んで作製される。そしてこのコ
ンデンサは別の電源によって充電されて電荷を蓄積し、
電気・電子回路の様々な所に利用されている７コンデン
サの容量は絶縁膜の薄い程大きく、ＬＢ膜を絶縁膜とし
た超薄膜コンデンサが発明されている（特願昭６２−２
１５３５３号）。

発明が　決しようとする問題点 しかしコンデンサは別な電源によって充電されて始めて
利用されていて、コンデンサと電源とは別個なものであ
った。したがってコンデンサであると同時に電源も内蔵
している本発明の静電容量・電圧発生素子が作られれば
、極めて有用な素子となるばかりでなく、全く新しい素
子が発明されたことになる。

湧−虱ｌ亙迭まｊための手段 本発明の静電容量・電圧発生素子は二種の形に分けられ
る。第一は絶縁超薄膜がＬＢ膜のように分極しているか
或いは分極している膜を含む異種複合膜であるときで、
この絶縁、ｔｆ１Ｍ膜を挟む何電極金属が同種でも異種
でも電圧が発生する。もちろん静電容量も極めて大きい
、第二の形は絶縁超薄膜に分極のないときで、画電極金
属が異種のときに電圧を発生する。そして絶縁超薄膜の
厚さが１０−’Ｉ＋！以下で抵抗が１０’Ω／ｃｍ”程
度共、ヒのときにｌ〆Ｆ／ｃｍ”程の極めて大きな容量
を有し数百ｍＶの直流電圧を発生する静電容量・電圧発
生素子を供する。

（実施例） 次に本発明の静電容量・電圧発生素子を実施例について
図面を参照して説明する。

実施例１ この実施例においては、第１図及び第２図に示すように
先ず顕微鏡用のスライド・ガラス（１）の面に２０００
〜３０００人の厚さのアルミニウムを蒸着させて電極端
子（５）を備えた一方の電極（７）を形成する。アルミ
ニウムは空気中で自然酸化されるから、電極（７）の表
面は酸化アルミニウムＡＩ、０．．の薄膜（９）によっ
て被覆される。該薄膜（９）は約３０人の厚さを有する
。該薄膜（９）にＬＢ法によって５〜１０層すなわち２
０〜４０人のポリイミド膜Ｂ膜（１１）を被着させる。

さらに該ポリイミドＬ　Ｂ膜（１１）の上に電極端子（
１３）を備える他の電極（１５）として金を蒸着させる
ことによってＡｌ／ＡｌＫＯ３／ポリイミドＬ−Ｂ膜／
Ａｕの構造を有する本発明の静電容量・電圧発生素子が
形成される。ここでポリイミド膜もＡ１□０．ｌ膜もと
もに分極し・ていない膜である。

第３図は発生電圧の測定回路である。本発明素子の試料
（１）は金属容器（２）の中に収められ光から遮断され
ている。ＡＩ′Ｗ１極は接地され、ＡＩＩ［極は金属板
（３）に接続されている。該金属板（３）の電位はＡｕ
電極の電位と同じであり、この電位が表面電位計（５）
のヘッド（４）によって電極非接触で取り出され該表面
電位計（５）で測定される。該表面電位計（５）の出力
はＸＹレコーグ（６）に入り増幅されて記録される。す
なわち本素子の発生電圧が記録される。スイッチ（７）
は外部回路にコンデンサＣ６を接続するためのものであ
りスイッチ（８）は本素子の両電極を短絡するために用
いられる。第３図のスイッチ（７）を閉じて、コンデン
サＣＦを外部回路に挿入し、本素子の両電極を短絡して
いたスイッチ（８）を開いた時点からの電圧発生を測定
した。この結果を第４図に示す、挿入コンデンサの容ｔ
　ｃ　ｐが大きくなると電圧発生速度が小さくなるが、
発生電圧の飽和値はＣ１の大きさには関係がなく、ＣＦ
＝０　（１０］　）　、Ｃ＋＋＝ＩＪＦ（１０２）、ｃ
、＝２４Ｆ（１０２）　、Ｃｙ＝４ｐＦＣ１０３）の曲
線は皆同じ飽和電圧値■。ｒに達する。このような電圧
発生は相当な長期間にわたる、第５図はその例で、曲線
（２）が約２年間にわたる電圧の発生を示している。こ
の測定では、測定時以外は素子の両電極が短絡されてい
て、測定時に外部回路を開放し挿入図の曲ＡＩ！（１）
に示すように電圧の発生を測定して発生電圧の飽和値Ｖ
。１．を求めたものである。

第４図の時開ｔと発生電圧Ｖとの関係をｌｏｇ（（Ｖｏ
ｃ−Ｖ）／Ｖｏ、、）〜ｔの関１系に書き替えたものが
第６図である。Ｃ，、＝０　（ｌ　Ｏ１）　、Ｃ，、＝
１μＦ（１０２）、Ｃ，、、＝２．ＦＣ１０３）の各特
性とも直線となっている（Ｖ″：１Ｖｏｃになると測定
誤差が増加する）。

以上筒４．５．６図の結果は本発明の素子が静電容量と
電圧発生源とを合わせ持ち、さらに絶縁膜として抵抗も
あることを示している。本素子の電圧発生源は電圧源よ
りもむしろ電流源とした方が良いことを本素子の温度特
性と関連して後述するが、静電容量Ｃ６、電気抵抗Ｒ６
、電流源■。で構成される第７図のような等価回路で本
発明の素子の緒特性を説明出来るものである。すなわち
、第７図の回路で短絡していた端子（１）及び（２）を
開放した時点から該端子（１）と（２）の間に発生する
電圧Ｖの時間変化は Ｖ＝ＩａＲｏ［１−ｅｘｐ（−ｔ／（Ｃ，＋ＣＩりＲｏ
ｂ］　　　　（１）ただしＣ１，は外部回路に挿入した
静電容量の大きさであり、ｔは経過時間である。■。１
．を発生電圧の飽和値とすると、式（１）より Ｖｏｃ”　ＬＲｏ　　　　　　　　　　　　　（２）し
たがって式（１）より Ｉｎ（（Ｖ、１ｃ−Ｖ）／Ｖｏｃ）＝−ｔ／（Ｃ＋＋−
！−Ｃｐ）Ｒｏ　　（３）上式は第６図の直線関係を良
く説明している。

さらに第４図の原点における曲線（１０１）、（１０２
）、（１０３）等の接線の傾斜つまり初期電圧上昇速度
の逆数（ｄＶ／ｄｔ）。を求め、これと外部挿入台Ａ　
Ｃ、、どの関係を求めると、第８図のような直線関係が
得られる。ｒＭには第４．６図に示した本素子の試料の
特性（１０）の他に二種の素子試料の特性（５）、（６
）も掲げた。括弧内の数字は素子中のポリイミドＬＢ膜
の単分子膜の暦数を意味している。

この直線関係は第７図の等価回路を用いて以下のように
説明することができる。すなわち第７図の該端子（、１
，）と（２）を開放にした時点からの発生電圧Ｖの時間
変化は式（１）で表される。よって式（１）を時間ｔｔ
’微分して初期電圧上昇速度の逆数をとると （ｄＶ／ｄｔ）ｏ＝　（１／Ｉｏ）　（Ｃｏ＋　ＧＫ）
　　　　　　（４）」−式は第８図の（ｄＶ／ｄｔ）。

〜ＣＶの直線関係を説明している。さらに第８図ではこ
の直線が原点を通らずＣ１の横軸を負の側で切っている
。この横軸の負の切片は式（４）を参照してＣ６の値を
示していることになるが、図から見て三つの素子試料で
０．２〜０．３１Ｆであり、本素子の電極面積が００２
ｃｍ２であるから、Ｃｏこの値は１．（１〜１．５　ｘ
Ｆ／ｃｍ２と大きな値である。別に容量計を用いた測定
でも同様な数値が得られている。

以ト実験と解析で示したように、本発明の素子は１．０
１Ｆ７ｃｍ”程度の大きな静電容量を持つと同時に０．
１〜０．２ボルトの電圧を発生する新しい素子であるこ
とがわかった。

実施例２ 第７図のＣＦを外部回路に挿入せず、端子（１）と（２
）の間の発生電圧を種々の温度で測定し、その飽和値■
、工を求めて示したちのが第９図であるにの図にはポリ
イミドＬＢ膜の単分子膜暦数がｌｎｊ：！Ｊの素子の特
性（１０）とこれが５層のもの（５）とが示されている
。何れも温度の上昇とともに発生電圧Ｖ。、、は増大す
るが、２００℃近くで１．０ボルト程の値で飽和する傾
向にある。

この発生電圧Ｖ。Ｃ１の温度特性は第８図の等価回路で
見るならばこの回路を構成する要素によると考えられる
が、静電容１！：Ｃｏは式（２）に示すように■。Ｃに
は関係しない、よって■。、、の温度特性は電流源Ｉ０
又はＲ６或いはその双方の特性によると考えられる。し
かし本発明の素子に用いたような絶縁超薄膜に流れる電
流は主としてトンネル電流であるから、これに対する抵
抗Ｒ８は温度依存性が無いと見られる。更にこれを確か
めるために初期電圧上昇速度の逆数（ｄＶ／ｄｔ）−’
を求めてこれと絶対温度の逆数１／Ｔとの関係を調べた
。結果を第１０図に掲げる８この図における初期電圧上
昇速度は発生電圧が零の時のものであるから、第８図を
参照して、この時点では抵抗Ｒ６には電流が流れていな
い、したがって第１０図の特性には抵抗Ｒ０は関与して
いない筈である。初期電圧上昇速度については式（４）
でＣ，＝Ｏとして（ｄＶ／ｄｔｌ’＝　（１／Ｌ）Ｃ，
、（５）したがって第１０１３！ｆｆの温度特性は電流
源工。起因（）ているとみられる。

第１０図はｌｏｇ（（ｄＶ／ｄｔ）−’）〜１／Ｔの直
線関係を示しているので、この傾斜から活性化エネルギ
ーとしてＨ＝Ｄ、４３　ｅＶが求められる。ＡｌｌとＡ
１の仕事関数の差を　八Ｗ＝１．ＯＶとして下式を採用
し１．＝　Ａ（ΔＷ　−Ｖｏｃ）ｅｘｐ（−）！／ｋＴ
）＝　Ａ（１，ＯＶｏ−）ｅｘｐ（−０，４３／ｋＴ）
　　（６）この式を式（２）に用いて Ｖｏ、、”ＴｏＲ。

＝　ＲｏＡΔＷｅｘｐ（−Ｈ／ｋＴ）／（１＋ＲｏＡｅ
ｘｐ（−！ｌ／ｋＴ））＝　ＲｏＡｅｘｐ（−０，４３
／ｋＴ）／　（］、＋ＲｏＡｅｘｐ（−０，４３／ｋＴ
）第９図にあげた発生電圧■。ｌ−の温度特性の実測値
（５）の−点の値を用いて上式の定数Ｒ６Ａを定めた後
にこの式の関係を示したものが第１１図の実線であり、
黒丸は第９図に挙げた測定値を再び示したものである。

図示するように計算値と実測値とは略一致している。

以と述べたように、電流源Ｉ。に熱活性形の式（６）の
特性を与えることによって、本発明の静電容量・電圧発
生素子の室温で得られた種々の特性及び温度特性を説明
することが出来たが、電圧発生源として電圧源を取り上
げた場合には、第９図、第１０図のような温度特性を理
解することが困難である。

第９図に見られるように、本発明の一素子でも１ボルト
近い電圧を発生するので、この素子を４個直列に接続し
て９０℃に保持したところ、各素子の発生電圧は加算さ
れ約２．５ボルトになった。この電圧を２ボルトで作動
する抵抗が略１０”Ωの液晶素子に印加したところ、該
液晶素子に表示があられれてこの素子の駆動されたこと
が確認された。

ただし−回表示されると発生電圧が低下してしまうので
、回路を開いて数秒間電圧の上昇を待ち再び電圧を液晶
素子に印加すればその駆動が可能になる。このような液
晶素子の駆動では本発明の素子のコンデンサに充電され
たエネルギーが液晶素子に与えられて該液晶素子が駆動
され、同時にコンデンサは放電してそのエネルギーを失
って電圧が低下して該液晶素子の駆動は停止するが、画
素子の接続を切って本発明素子のコンデンサが充電され
て電圧が上昇すれば、このコンデンサのエネルギーによ
って再び液晶素子を駆動することが可能になるものであ
る。

以上述べたように、本発明の静電容量・電圧発生素子の
今後の工業的応用が期待されるが、最後に本発明の素子
が第８図の等何回路で表せるとして、室温における該等
価回路の要素の値及び発生電圧の値の例を表１に挙げて
おいた。

【図面の簡単な説明】

竿１図は本発明の静電容量・電圧発生素子の実施例の概
略図、第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線による断面図、第
３図は第１図に示した本発明の素子の発生電圧測定回路
の概略図、第４図は本発明の素子の外部回路にコンデン
サを挿入した時の該素子の電圧発生の時間特性、第５図
は本発明素子の長時間にわたる電圧発生を示す図、第６
図は本発明素子の発生電圧■と時間ｔの関係を示す図、
第７図は本発明素子の等何回路、箒８図は本発明素子の
初期電圧−上昇速度と外部挿入静電容量との関係を示す
図、第９図は本発明素子の発生電圧の温度特性を示す図
、第１０図は本発明素子の初期電圧上昇速度と絶対温度
との関係を示す図、第１１図は本発明素子の発生電圧の
温度特性について、理論計算値と実測値とを比較した図
、第１２図は本発明素子の特性の例を示した表である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁超薄膜を金属電極で挟んだ構造で、電極間に
   静電容量を持つと同時に電圧を発生する素子。
2. （２）前記絶縁超薄膜はラングミュア・プロジェット法
   によって前記電極上に被着された単分子膜一層または数
   層から形成された膜或いは電極金属の酸化物超薄膜や他
   の単分子膜との異種複合膜であることを特徴とする静電
   容量・電圧発生素子。