專利名稱：壓電傳感器和使用壓電傳感器的電泳油墨顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用壓電元件的壓電傳感器，特別涉及使用壓電傳感器的電泳油墨(ink)顯示裝置。
在日本專利未決公開No.(平)8-125247和日本專利公開No.(平)9-162456中所述的技術(shù)涉及常規(guī)的壓電傳感器。其實(shí)施例雖然不同，但兩者都使用大塊壓電陶瓷。
同時(shí)，在SID 98文摘1131至1134頁的論文中記載了普通的電泳油墨顯示裝置。在該論文中披露了使用電泳噴墨的分段型顯示體的結(jié)構(gòu)。
在該電泳油墨顯示裝置中，顯示裝置的各分段部分由利用電泳的多個(gè)微型膜盒(microcapsule)構(gòu)成。因此當(dāng)電壓施加在該分段部分上時(shí)，可以使分段部分的顏色改變。
但是，上述背景技術(shù)存在以下問題。
在日本未決專利公開No.(平)8-125247和日本未決專利公開No.(平)9-162456中所述的壓電傳感器中，如上所述，盡管實(shí)施例有所不同，但都采用大塊壓電陶瓷。然而難以把采用大塊壓電陶瓷的壓電傳感器小型化。例如，在日本專利未決公開No.9-162456中的壓電傳感器為40mm×10mm×1.5mm。
再有，在SID 98文摘1131至1134頁中披露了采用電泳噴墨的顯示體的結(jié)構(gòu)，但未提出將大量的這類顯示元件按高密度配置的方法和按高密度配置的電泳油墨顯示元件的驅(qū)動(dòng)方法。
鑒于
背景技術(shù)：
中的上述問題提出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)可以容易小型化的壓電傳感器。
本發(fā)明的另一目的在于實(shí)現(xiàn)包括電泳油墨顯示元件的電泳油墨顯示裝置，其中按高密度配置多個(gè)電泳油墨顯示元件。
本發(fā)明的壓電傳感器包括在襯底上按第一電極層、第一壓電薄膜層、第二電極層、第二壓電薄膜層和第三電極層的順序?qū)盈B的上述各層。限制所述第一和第二壓電薄膜層使其在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小。
利用上述結(jié)構(gòu)，由于可以通過形成兩個(gè)壓電薄膜層來構(gòu)成壓電傳感器，所以其立體的和平面的最小化是可能的。此外，可以實(shí)現(xiàn)取出大負(fù)載的壓電傳感器。再有，由于限制壓電薄膜層使其在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小，所以可以實(shí)現(xiàn)該壓電傳感器，利用該壓電傳感器可進(jìn)行直流電壓放大。
在本發(fā)明的壓電傳感器中，在其內(nèi)形成空腔的支撐基底上形成第一電極層、壓電薄膜層、第二電極層和第三電極層。在位于所述空腔上方的壓電薄膜層上成對(duì)地形成彼此之間有空隙的所述第二電極層和第三電極層。
利用上述結(jié)構(gòu)，可以形成體積最小化的壓電傳感器。
本發(fā)明的電泳油墨顯示裝置包括多個(gè)膜盒。還包括多個(gè)電泳油墨顯示元件，其中，膜盒內(nèi)的顏色隨膜盒內(nèi)帶電顆粒的移動(dòng)而改變，該電泳油墨顯示裝置還包括多條柵極線、與柵極線交叉的多條數(shù)據(jù)線和在所述柵極線和數(shù)據(jù)線的交叉點(diǎn)上配置的薄膜晶體管。所述薄膜晶體管的一個(gè)源-漏與所述數(shù)據(jù)線連接；所述薄膜晶體管的另一個(gè)源-漏與所述壓電傳感器的輸入側(cè)連接；而所述壓電傳感器的輸出側(cè)與電泳油墨顯示元件的電極連接。
本發(fā)明的壓電傳感器可以用作上述壓電傳感器。在這種情況下，在所述壓電傳感器的上部形成柱形結(jié)構(gòu)，用對(duì)面設(shè)置的襯底(其上形成有所述電泳油墨顯示元件的上電極)按壓所述柱形結(jié)構(gòu)。以這種方式，可以限制所述第一和第二壓電薄膜層使其在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小。
利用上述結(jié)構(gòu)，可以用壓電傳感器驅(qū)動(dòng)配置的多個(gè)電泳油墨顯示元件，同時(shí)用薄膜晶體管來尋址。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的層疊型薄膜壓電傳感器的剖面圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的由采用壓電薄膜的Rosen壓電傳感器構(gòu)成的薄膜壓電傳感器的透視圖；圖3表示電泳油墨顯示元件的結(jié)構(gòu)；圖3A是電泳油墨顯示元件的剖面圖；圖3B表示電泳油墨顯示元件中微型膜盒的結(jié)構(gòu)；而圖3C表示微型膜盒中帶電顆粒的結(jié)構(gòu)；圖4表示本發(fā)明實(shí)施例的采用層疊型壓電傳感器薄膜的電泳油墨顯示裝置的結(jié)構(gòu)；圖5是電信號(hào)的時(shí)序圖，該信號(hào)控制本發(fā)明實(shí)施例的電泳油墨顯示裝置中的TFT和模擬開關(guān)的打開或閉合；圖6是本發(fā)明實(shí)施例的電泳油墨顯示裝置中的一個(gè)象素的平面圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例的電泳油墨顯示裝置的剖面圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例的采用Rosen薄膜壓電傳感器的電泳油墨顯示裝置中的一個(gè)象素的平面圖；和圖9是本發(fā)明實(shí)施例的采用Rosen薄膜壓電傳感器的電泳油墨顯示裝置的剖面圖。
下面，參照


本發(fā)明的壓電傳感器的實(shí)施例。壓電傳感器的第一實(shí)施例圖1是本發(fā)明實(shí)施例的層疊型的薄膜壓電傳感器的剖面圖。在襯底11上按順序形成第一電極層12、第一壓電薄膜層13、第二電極層14、第二壓電薄膜層15和第三電極層16。把壓力P從上方施加在第三電極層16上，限制第一壓電薄膜層13和第二壓電薄膜層15，使它們?cè)诤穸确较蛏喜粩U(kuò)大或縮小。
包括利用熱氧化形成的二氧化硅膜的單晶硅襯底被用作襯底11。其上的第一電極層是包括通過濺射順序形成的鈦、鉑和鈦三層的電極層，鈦、鉑和鈦各層分別達(dá)到20nm、200nm及5nm的厚度。第一壓電薄膜層13是鋯酸鉛鈦薄膜(以下稱為“PZT”)，具有按溶膠凝膠方法形成的厚度為200nm的52mol％鋯酸鉛-48mol％鈦酸鉛結(jié)構(gòu)。此外，第二電極層14是包括通過濺射順序形成的鈦、鉑和鈦三層的電極層，該鈦、鉑和鈦各層電極層分別達(dá)到20nm、200nm及5nm的厚度。第二壓電薄膜層15是按溶膠凝膠(sol gel)方法形成的厚度為2μm的具有上述結(jié)構(gòu)的PZT薄膜。此外，第三電極層16是通過濺射順序形成的鈦和鉑兩層的電極層，該兩層電極層分別達(dá)到20nm和200nm的厚度。
對(duì)于層疊型的薄膜壓電傳感器來說，壓力提高的作用如下。第二電極層14變?yōu)榈仉娢?。?dāng)電場(chǎng)E1施加在第一壓電薄膜層13的薄膜厚度方向上時(shí)，在壓電應(yīng)變常數(shù)為dij、施加電場(chǎng)0下的彈性柔量為sijE的情況下，第一壓電薄膜層13的薄膜厚度方向上的應(yīng)力T1用下式表示T1＝-(d33/s33E)·E1(1)該層疊型的薄膜壓電傳感器如上述那樣構(gòu)成，并使用足夠硬的金屬電極；因此，在薄膜厚度方向上對(duì)第二壓電薄膜層施加的應(yīng)力T2如下表示T2＝T1(2)此時(shí)，在應(yīng)力為0時(shí)介電常數(shù)為εijT的情況下，在第二壓電薄膜層15厚度方向上產(chǎn)生的電場(chǎng)E2如下表示E2＝-(d33/ε33T)·T2(3)把式(1)和(2)帶入式(3)得到E2＝(d332/(ε33T·s33E))·E1＝k332·E1(4)其中，Kij是壓電薄膜層的機(jī)電耦合系數(shù)。在第一壓電薄膜層13的薄膜厚度方向上也就是在第一電極層12和第二電極層14之間施加的電壓為V1，而第一壓電薄膜層13的厚度為t1的情況下，有以下結(jié)果E1＝V1/t1(5)在第二壓電薄膜層15的厚度方向上即在第二電極層14和第三電極層16之間的電壓輸出為V2，而第二壓電薄膜層15的厚度為t2的情況下，有以下結(jié)果E2＝V2/t2(6)由式(4)、(5)和(6)得到下式V2＝k332·V1·t2/t1(7)
換句話說，當(dāng)把電壓V1施加在第一壓電薄膜層上時(shí)，第二壓電薄膜層輸出的電壓V2與機(jī)電耦合系數(shù)k33的平方和兩個(gè)壓電薄膜層的厚度之比成正比。特別地，直流電壓放大系數(shù)可以用第一壓電薄膜層的厚度與第二壓電薄膜層的厚度之比來確定。
本實(shí)施例結(jié)構(gòu)中的層疊型薄膜壓電傳感器包括由兩個(gè)壓電薄膜層構(gòu)成的壓電傳感器；結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)其立體和平面最小化的壓電傳感器。由于同樣利用輸出側(cè)上的壓電薄膜層的電容，所以可以取出大負(fù)載。再有，由于限制壓電薄膜層在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小，并利用靜態(tài)壓電效應(yīng)來按壓壓電薄膜，所以可以進(jìn)行直流電壓放大。實(shí)際上，本發(fā)明人在施加作為V1的幅度為10V的脈沖時(shí)，可以獲得作為V2的幅度為45V的脈沖。用作本實(shí)施例中的壓電薄膜的PZT膜的k33根據(jù)式(7)的逆運(yùn)算被預(yù)測(cè)為約0.67。
再有，由于用鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)形成電極層，所以上述結(jié)構(gòu)中的層疊型薄膜壓電傳感器在襯底與電極層之間和電極層與壓電薄膜層之間有足夠的粘結(jié)力。再有，兩個(gè)壓電薄膜層由PTZ構(gòu)成。由于PZT具有相對(duì)大的機(jī)電耦合系數(shù)，所以可實(shí)現(xiàn)具有大的電壓放大系數(shù)的層疊型薄膜壓電傳感器。在壓電薄膜層中使用的這種材料也可以是PZT壓電材料，例如包含具有較大機(jī)電耦合系數(shù)的鉛錳鈮酸鹽(PMN)。也可以利用在第一壓電薄膜層13中產(chǎn)生較大壓力的材料和對(duì)于在第二壓電薄膜層15中施加的壓力產(chǎn)生大電壓的材料來構(gòu)成層疊型薄膜壓電傳感器。壓電傳感器的第二實(shí)施例圖2是本發(fā)明實(shí)施例的由采用壓電薄膜的Rosen壓電傳感器構(gòu)成的薄膜壓電傳感器的透視圖。在內(nèi)部形成空腔21的支撐基底22上形成隔膜23、第一電極層24、壓電薄膜層25、第二電極層26和第三電極層27。在位于空腔21上方的壓電薄膜層上相互有間隔地成對(duì)形成第二電極層26和第三電極層27。再有，第三電極層27形成為跨在壓電薄膜層25的端面與上表面上。
具有通過熱氧化形成的二氧化硅膜的單晶硅襯底被用作基底22。通過濺射方法生長金屬化鋯酸鹽的薄膜，然后進(jìn)行熱氧化，在其上形成厚度500nm的鋯酸鹽薄膜作為隔膜23。在其上形成順序包括鈦、鉑和鈦三層的電極層作為第一電極層24，其中鈦、鉑和鈦各層通過濺射和構(gòu)圖上述材料分別達(dá)到20nm、200nm及5nm的厚度。然后，利用溶膠凝膠方法并通過構(gòu)圖，形成包括52mol％鋯酸鉛-48mol％鈦酸鉛的PZT膜，作為壓電薄膜層25。此外，通過濺射和構(gòu)圖使厚度分別達(dá)到20nm和200nm的鈦和鉑兩層，順序地包括這兩層的電極層，被形成為第二電極層26和第三電極層27。然后，通過用干式腐蝕法各向異性地腐蝕單晶硅襯底22形成空腔21，來形成Rosen薄膜壓電傳感器。
在Kenji Uchino的Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors(壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)和超聲電機(jī))(Kluwer Academic Publishers)，1997，309-310頁中討論了這種Rosen薄膜壓電傳感器的工作；電壓放大系數(shù)r用下式表示r＝(4/π2)·k31·k33·Qm·(L2/t)·[2·(s33E/s11E)1/2/{1+(s33D/s11E)1/2}]交流電壓施加在第一電極層24和第二電極層26之間，而放大的電壓從第一電極層24和第三電極層27之間輸出。
其中，Kij是壓電薄膜層25的機(jī)電耦合系數(shù)；Qm是壓電薄膜層25的機(jī)械的Q；L2是成對(duì)的第二電極層26和27之間的間隔；t是壓電薄膜層25的厚度；sijE是電場(chǎng)為0時(shí)的彈性柔量；而sijD是電通量密度為0時(shí)的彈性柔量。例如，在52mol％鋯酸鉛-48mol％鈦酸鉛的PZT情況下，k31＝0.313，k33＝0.670，Qm＝860，s33E＝17.1×10-12m2/N，s11E＝13.8×10-12m2/N，而s33D＝9.35×10-12m2/N。當(dāng)L2＝1μm和t＝200nm時(shí)，可以獲得很大的電壓放大系數(shù)r＝450。
由于采用壓電薄膜，所以對(duì)于本實(shí)施例結(jié)構(gòu)中的薄膜壓電傳感器來說，可以實(shí)現(xiàn)立體和平面的最小化。例如，在上述實(shí)施例的情況下，第二電極層26和27之間的間隔為1μm。再有，由于一個(gè)第二電極層27跨在壓電薄膜層25的端面上，所以可以在更小的平面區(qū)域內(nèi)構(gòu)成壓電傳感器。由于把單晶硅襯底用作支撐基底22，所以通過各向異性腐蝕可以容易地形成空腔21。再有，由于由鋯酸鹽薄膜形成隔膜23，所以可以形成具有剛性和在殘余應(yīng)力下不容易破裂的隔膜。由于用鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)形成第一電極層24、第二電極層26和第三電極層27，所以在隔膜和第一電極層之間，在壓電薄膜層和第一、第二及第三電極層之間都有足夠的粘結(jié)力。由于用PZT薄膜形成壓電薄膜層25，所以有可能形成具有大的機(jī)電耦合系數(shù)的薄膜，從而可以實(shí)現(xiàn)具有大的電壓放大系數(shù)的薄膜壓電傳感器。在壓電薄膜層25中使用的材料也可以是PZT壓電材料，例如包括PMN的具有很大機(jī)電耦合常數(shù)的PZT。電泳油墨顯示元件的原理下面將說明電泳油墨顯示元件。圖3所示為電泳油墨顯示元件的結(jié)構(gòu)；圖3A是電泳油墨顯示元件的剖面圖；圖3B所示為電泳油墨顯示元件中微型膜盒的結(jié)構(gòu)；而圖3C所示為微型膜盒中帶電顆粒的結(jié)構(gòu)。
該電泳油墨顯示元件包括在襯底101上形成的下電極102，包括具有發(fā)光特性的粘合劑104和均勻散布和固定在該粘合劑104中的多個(gè)微型膜盒103的壓電油墨層，在對(duì)面設(shè)置的襯底105和形成在該對(duì)置襯底上的透明電極106。
該電泳油墨顯示元件是利用帶電顆粒的電泳完成顯示圖形的寫入和刪除的顯示元件。電泳油墨層的厚度即下電極102和透明電極106之間的距離最好是微型膜盒103的外徑的約1.5至2倍。再有，例如聚乙烯醇可以用作粘合劑104。
如圖3B所示，微型膜盒103包括具有透光特性的空心的球形膜盒107。這些膜盒107內(nèi)填充有液體108；在該液體108中散布多個(gè)帶負(fù)電的顆粒109。如圖3C所示，帶電的顆粒109包括核110和覆蓋該核的涂敷層111。
帶電顆粒109的顏色和液體108的顏色彼此不同。例如，帶電顆粒109的顏色為白色，而液體108的顏色為藍(lán)色、紅色、綠色或黑色。當(dāng)外部電場(chǎng)施加在該微型膜盒103上時(shí)，帶電顆粒109在與上述電場(chǎng)相反的方向上在膜盒107內(nèi)移動(dòng)。例如，當(dāng)施加電壓，如圖3A所示，使透明電極106為正電位而下電極102為零電位時(shí)，產(chǎn)生從透明電極106向下電極102的電場(chǎng)；結(jié)果，微型膜盒103中的帶電顆粒109向膜盒107的頂部移動(dòng)。因此，由于可以看到帶電顆粒109的顏色，所以從在對(duì)面設(shè)置的襯底105觀察到的顏色變?yōu)榘咨Ｏ喾?，?dāng)施加電壓，使透明電極106為負(fù)電位，而下電極102為零電位時(shí)，產(chǎn)生從下電極102向透明電極106的電場(chǎng)；結(jié)果，微型膜盒103中的帶電顆粒109就向膜盒的底部移動(dòng)。因此，從對(duì)置襯底105觀察到的顏色就變?yōu)橐后w108的顏色，例如，如果液體108的顏色為藍(lán)色，那么就變?yōu)樗{(lán)色。
微型膜盒103可以這樣構(gòu)成，以便使液體108的比重與帶電顆粒109的比重相等。因此，即使去除外部電場(chǎng)，帶電顆粒109也可以在相同的位置上長時(shí)間保持。換句話說，電泳油墨顯示元件的顯示被長時(shí)間保持。此外，例如可以調(diào)整涂敷層111的厚度，使液體108的比重與帶電顆粒109的比重相等。微型膜盒103的外徑優(yōu)選不大于180μm，為10至20μm更好。例如，鈦的金紅石結(jié)構(gòu)可以用作上述帶電顆粒109的核。再有，例如聚乙烯可以用作上述帶電顆粒109的涂敷層111。例如，在四氯乙烯和異鏈烷烴中溶解的蒽醌染料可以用作上述液體。
下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的電泳油墨顯示元件的實(shí)施例進(jìn)行說明。電泳油墨顯示裝置的第一實(shí)施例圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例的采用薄膜壓電傳感器的電泳油墨顯示裝置的結(jié)構(gòu)。在該圖中，201和202表示柵極線；203和204表示數(shù)據(jù)線；205至207表示薄膜晶體管(TFT)；208至210表示薄膜壓電傳感器；211至213表示電泳油墨顯示元件；214和215表示模擬開關(guān)；216表示數(shù)據(jù)信號(hào)線；而217和218表示分別控制模擬開關(guān)214和215的打開和閉合的信號(hào)輸入端。模擬開關(guān)214和215可以用TFT構(gòu)成。
圖5是電信號(hào)的時(shí)序圖，該信號(hào)控制本發(fā)明實(shí)施例的電泳油墨顯示裝置中的TFT和模擬開關(guān)的打開和閉合。在該圖中，301和302表示分別對(duì)柵極線201和202施加的電信號(hào)；而303和304表示對(duì)輸入端217和218施加的電信號(hào)，該信號(hào)打開和閉合模擬開關(guān)。當(dāng)這些信號(hào)為HI時(shí)，TFT和模擬開關(guān)導(dǎo)通(閉合)。在時(shí)間t1時(shí)，柵極線201的電位變?yōu)镠I，TFT 205和206導(dǎo)通(激活)。同時(shí)，相對(duì)于打開和閉合模擬開關(guān)214的信號(hào)來說，輸入端217的電位變?yōu)镠I，該模擬開關(guān)被導(dǎo)通(閉合)。因此，由數(shù)據(jù)信號(hào)線216供給的數(shù)據(jù)信號(hào)通過模擬開關(guān)214和TFT 205輸入至薄膜壓電傳感器208。然后，把數(shù)據(jù)信號(hào)輸出中的放大的電壓供給電泳油墨顯示元件211的電極。在時(shí)間t2時(shí)，相對(duì)于打開和閉合模擬開關(guān)214的信號(hào)來說，輸入端217的電位變?yōu)長OW，模擬開關(guān)變成非導(dǎo)通(打開)。同時(shí)，相對(duì)于打開和閉合模擬開關(guān)215的信號(hào)來說，輸入端218的電位變?yōu)镠I，模擬開關(guān)變成導(dǎo)通(閉合)。因此，由數(shù)據(jù)信號(hào)線216供給的數(shù)據(jù)信號(hào)通過模擬開關(guān)215和TFT 206輸入至薄膜壓電傳感器209。從中輸出的經(jīng)電壓放大后的數(shù)據(jù)信號(hào)供給電泳油墨顯示元件212的電極。在時(shí)間t3時(shí)，相對(duì)于打開和閉合模擬開關(guān)215的信號(hào)來說，輸入端218的電位變?yōu)長OW，模擬開關(guān)變成非導(dǎo)通(打開)。盡管在圖4和圖5中沒有表示出來，但實(shí)際上在柵極線方向上也重復(fù)上述操作，然后在時(shí)間t4時(shí)，柵極線201的電位變?yōu)長OW，而TFT 205和206變成不導(dǎo)通(非激活)的狀態(tài)。同時(shí)，柵極線202的電位變?yōu)镠I(高)，模擬開關(guān)207變成導(dǎo)通(閉合)，在從時(shí)間t4至?xí)r間t5期間，數(shù)據(jù)被寫入電泳油墨顯示元件213。
利用上述結(jié)構(gòu)，可以用TFT驅(qū)動(dòng)所設(shè)置的多個(gè)電泳油墨顯示元件，而用薄膜壓電傳感器進(jìn)行尋址和數(shù)據(jù)信號(hào)的直接放大。
圖1所示的本發(fā)明的壓電傳感器在本實(shí)施例中可以用作薄膜壓電傳感器。在這種情況下，本發(fā)明的電泳油墨顯示裝置可以得到本發(fā)明的壓電傳感器的所有操作效果。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例的電泳油墨顯示裝置中一個(gè)象素的平面圖。在柵極線201和數(shù)據(jù)線203的交叉點(diǎn)上形成包括多晶硅薄膜401的溝道部分、柵極201和接觸孔402的TFT。薄膜壓電傳感器208中的第一電極層403也用作來自TFT的源-漏部分的負(fù)載電極。薄膜壓電傳感器208中的第二電極層404平行于柵極線201引出并接地。在沒有任何進(jìn)一步改變的情況下，薄膜壓電傳感器208的第三電極層405成為電泳油墨顯示元件的象素電極。當(dāng)象素電極的大小為150μm2時(shí)，薄膜壓電傳感器208所需的區(qū)域可大約為10μm2，可獲得具有緊湊平面形式的電泳油墨顯示裝置。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例的電泳油墨顯示裝置的剖面圖。TFT包括多晶硅層401、柵極絕緣膜502、柵極503、層間絕緣膜504和電極層403，該電極層是源-漏電極，并用作形成于絕緣襯底501上的薄膜層疊型壓電傳感器的第一電極層。然后，形成第一壓電薄膜層510、第二電極層404、第二壓電薄膜層511和第三電極層405，構(gòu)成薄膜層疊型壓電傳感器。接著，形成保護(hù)層505。與之分開，在對(duì)面設(shè)置的襯底506上形成透明電極507；然后通過金屬鍍敷等形成柱形結(jié)構(gòu)508。裝配該柱形結(jié)構(gòu)508，以便按壓薄膜層疊型壓電傳感器的上部，并用電泳油墨509填充；從而構(gòu)成電泳油墨顯示裝置。薄膜層疊型壓電傳感器可這樣構(gòu)成，以便通過柱形結(jié)構(gòu)508和對(duì)面設(shè)置的襯底506進(jìn)行按壓；從而可以進(jìn)行直流電壓放大。帶有本實(shí)施例結(jié)構(gòu)的薄膜層疊型壓電傳感器可以使立體和平面最小化。同樣由于利用輸出側(cè)的壓電薄膜層的電容，所以可以取出大負(fù)載。再有，由于利用靜態(tài)壓電作用按壓壓電薄膜，所以可以進(jìn)行直流電壓放大。實(shí)際上，本發(fā)明人對(duì)于壓電薄膜510和511按52mol％鋯酸鉛-48mol％鈦酸鉛的構(gòu)成使用鋯酸鈦酸鉛(lead-titanate-zirconate)，形成厚度200nm的第一壓電薄膜層510和厚度2um的第二壓電薄膜層511，在第一電極層403和第二電極層404之間施加幅度為10V的脈沖；在這種情況下，在第三電極層405和第二電極層404之間應(yīng)該獲得幅度為45V的脈沖。從而可以驅(qū)動(dòng)電泳油墨顯示元件。
在壓電薄膜層510和511中使用的材料也可以是PZT壓電材料，例如具有更高機(jī)電耦合系數(shù)的包括鉛錳鈮酸鹽(PMN)的PZT。也可以利用產(chǎn)生高應(yīng)力的材料作為第一壓電薄膜層103、而根據(jù)所施加的壓力來產(chǎn)生高電壓的材料作為第二壓電薄膜層105，從而構(gòu)成薄膜壓電傳感器。
通過形成鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)的第一電極層24、第二電極層26和第三電極層27，可以提高第一、第二和第三電極層與壓電薄膜層的粘結(jié)力。電泳油墨顯示裝置的第二實(shí)施例圖8是本發(fā)明實(shí)施例的采用Rosen薄膜壓電傳感器的電泳油墨顯示裝置的一個(gè)象素的平面圖。在柵極線201和數(shù)據(jù)線203的交叉點(diǎn)上形成包括多晶硅薄膜401的溝道部分、柵極201和接觸孔402的TFT。601是壓電薄膜層；其下面是空腔，以允許振動(dòng)。薄膜壓電傳感器中的共用電極層404平行于柵極線201引出并接地。405是電泳油墨顯示元件的象素電極。
圖2所示的壓電傳感器可以用作本發(fā)明的Rosen薄膜壓電傳感器。在這種情況下，本發(fā)明的電泳油墨顯示裝置可以具備本發(fā)明的壓電傳感器的所有操作效果。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例的采用Rosen薄膜壓電傳感器的電泳油墨顯示裝置的剖面圖。TFT由在絕緣襯底501上形成的多晶硅層401、柵極絕緣膜502、柵極503、層間絕緣膜504、和作為源漏電極并用作電泳油墨顯示元件下電極的電極層701構(gòu)成。然后，通過金屬鍍敷形成凸起層702。703是Rosen薄膜壓電傳感器的輸入電極；704是Rosen薄膜壓電傳感器的輸出電極；705是壓電薄膜層；而404是Rosen薄膜壓電傳感器的共用電極。通過形成鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)的電極703、704和404，可以提高各電極和壓電薄膜層之間的粘結(jié)力。通過用PZT薄膜形成壓電薄膜層705，可以形成具有大機(jī)電耦合系數(shù)的薄膜。在這種配置中，把交流電壓施加在輸入電極703和共用電極404之間，壓電薄膜層705振動(dòng)，輸出在輸出電極704和共用電極404之間放大的交流電壓。通過預(yù)先在分開的襯底上形成壓電薄膜層705、電極703、704、404等，連接凸起層702和電極層703、704，然后剝離分開的襯底，可以形成這種結(jié)構(gòu)。此外，通過形成保護(hù)層505，在對(duì)置的襯底506上分離地形成透明電極507，組裝它們并在其內(nèi)注入電泳油墨509，可形成電泳油墨顯示裝置。
由于在壓電薄膜層705下面形成空腔，所以壓電薄膜層可以振動(dòng)，并因此可以起到Rosen薄膜壓電傳感器的作用，把放大的交流信號(hào)供給電泳油墨顯示元件的下電極701。即使提供給電極701的信號(hào)是交流信號(hào)，也可以通過在其幅值的適當(dāng)位置上使薄膜晶體管截止，以使電極701的電位保持恒定。通過上述方式，就可以驅(qū)動(dòng)電泳油墨顯示元件。再有，即使輸入到Rosen薄膜壓電傳感器的電信號(hào)中有短波形，但由于壓電傳感器因其固有的振動(dòng)而變形，所以該信號(hào)可以是放大的電壓。
如上所述，本發(fā)明的壓電傳感器有被限制以在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小的兩個(gè)壓電薄膜層。因此，容易實(shí)現(xiàn)小型化，并可以進(jìn)行直流電壓放大。
再有，利用在其內(nèi)形成空腔的支撐基底上的壓電薄膜層，形成采用本發(fā)明的壓電薄膜層的Rosen薄膜壓電傳感器。因此，小型化是容易的，并且該壓電傳感器還具有大的電壓放大系數(shù)。
再有，本發(fā)明的電泳油墨顯示元件可以由小型化的薄膜壓電傳感器來驅(qū)動(dòng)，同時(shí)用薄膜晶體管進(jìn)行尋址。因此，可實(shí)現(xiàn)具有按高密度配置的多個(gè)電泳油墨顯示元件的電泳油墨顯示裝置。
權(quán)利要求
1.一種薄膜壓電傳感器，包括在襯底上按第一電極層、第一壓電薄膜層、第二電極層、第二壓電薄膜層和第三電極層的順序形成的上述各層，其中限制所述第一和第二壓電薄膜層在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電傳感器，其特征在于，所述第一、第二和第三電極層由鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電傳感器，其特征在于，所述第一和第二壓電薄膜層由鈦酸鋯酸鉛的壓電材料組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電傳感器，其特征在于，任意的電壓波形輸入至所述第一壓電薄膜層，而已經(jīng)放大的所述任意電壓波形被輸出到所述第二壓電薄膜層。
5.一種薄膜壓電傳感器，其特征在于，在其內(nèi)形成空腔的支撐基底上形成第一電極層、壓電薄膜層、第二電極層和第三電極層；在位于所述空腔上方的壓電薄膜層上相互有間隙地成對(duì)形成所述第二電極層和第三電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電傳感器，其特征在于，這樣來形成所述第三電極層，使其跨在所述壓電薄膜層的端面和上表面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電傳感器，其特征在于，在其內(nèi)形成有所述空腔的支撐基底為單晶硅襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電傳感器，包括在所述支撐基底和所述第一電極層之間的由鋯酸鹽薄膜構(gòu)成的隔膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電傳感器，其特征在于，所述第一、第二和第三電極層由鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電傳感器，其特征在于，所述壓電薄膜層由鈦酸鋯酸鉛的壓電材料組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電傳感器，其特征在于，在所述第一電極層和所述第二電極層上施加有任意的電壓波形，而已經(jīng)放大的所述任意的電壓波形被輸出到所述第一電極層和所述第三電極層之間。
12.一種電泳油墨顯示裝置，包括多個(gè)電泳油墨顯示元件，該電泳油墨顯示元件包括多個(gè)膜盒，膜盒內(nèi)的顏色因膜盒內(nèi)帶電顆粒的移動(dòng)而改變；該電泳油墨顯示裝置還包括多條柵極線，與柵極線交叉的多條數(shù)據(jù)線，以及配置在所述柵極線和數(shù)據(jù)線的交叉點(diǎn)上的薄膜晶體管；其中，所述薄膜晶體管的一個(gè)源-漏與所述數(shù)據(jù)線連接；所述薄膜晶體管的另一個(gè)源-漏與所述壓電傳感器的輸入側(cè)連接；和所述壓電傳感器的輸出側(cè)與所述電泳油墨顯示元件的電極連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述壓電傳感器與所述薄膜晶體管的上部可振動(dòng)地連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述壓電傳感器包括在所述絕緣襯底上按第一電極層、第一壓電薄膜層、第二電極層、第二壓電薄膜層和第三電極層的順序?qū)盈B的上述各層；以及限制所述第一和第二壓電薄膜層使其在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，通過在所述壓電傳感器的上部形成柱形結(jié)構(gòu)，并利用對(duì)面設(shè)置的襯底來按壓所述柱形結(jié)構(gòu)，以限制所述第一和第二壓電薄膜層，使其在厚度方向上不擴(kuò)大或縮小，在所述對(duì)面設(shè)置的襯底上形成有所述電泳油墨顯示元件的上電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述第三電極層還具有所述電泳油墨顯示元件下電極的功能。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述第一、第二和第三電極層由鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述第一和第二壓電薄膜層由鋯酸鈦酸鉛的壓電材料形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，任意的電壓波形輸入至所述第一壓電薄膜層，而已經(jīng)放大的所述任意電壓波形被輸出到所述第二壓電薄膜層。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述壓電傳感器包括在支撐基底上形成的第一電極層、壓電薄膜層、第二電極層和第三電極層，所述支撐基底的內(nèi)部形成有空腔；在位于所述空腔上方的壓電薄膜層上成對(duì)地形成彼此之間有間隙的所述第二電極層和第三電極層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，形成所述第三電極層，使其跨在所述壓電薄膜層的端面和上表面上。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，在其內(nèi)形成所述空腔的支撐基底為單晶硅襯底。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述第一、第二和第三電極層由鉑和鈦的多層結(jié)構(gòu)形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述第一和第二壓電薄膜層由鋯酸鈦酸鉛的壓電材料形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的電泳油墨顯示裝置，其特征在于，所述第一電極層和所述第二電極層上加載有任意的電壓波形，而已經(jīng)放大的所述任意電壓波形被輸出到所述第二電極層和所述第三電極層之間。
全文摘要
在襯底11上按順序?qū)盈B第一電極層12、第一壓電薄膜層13、第二電極層14、第二壓電薄膜層15和第三電極層16;限制這些層在厚度方向不擴(kuò)大或縮小,構(gòu)成壓電傳感器。形成多條柵極線201和202、多條數(shù)據(jù)線203和204和薄膜晶體管205和207;上述薄膜晶體管的一個(gè)源－漏與上述數(shù)據(jù)線連接,另一個(gè)源－漏與薄膜壓電傳感器208至210的輸入側(cè)連接;上述薄膜壓電傳感器的輸出側(cè)與電泳油墨顯示元件的電極連接;從而構(gòu)成電泳油墨顯示裝置。
文檔編號(hào)B06B1/06GK1262530SQ0010040
公開日2000年8月9日 申請(qǐng)日期2000年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月29日
發(fā)明者長谷川和正, 下田達(dá)也 申請(qǐng)人:精工愛普生股份株式會(huì)社