含浮动电极的新型微等离子体器件转让专利
申请号 : CN201010600651.6
文献号 : CN102082059B
文献日 : 2012-11-28
发明人 : 梁志虎 , 张小宁 , 何兆 , 王含 , 刘纯亮
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
本发明公开了一种含浮动电极的新型微等离子体器件，该器件以铝箔为材料基底，铝箔上有密集的阵列微腔，微腔内部有一层氧化铝，作为介质层，如此可形成基本的Al/Al2O3/Al共面型电极结构，微腔两端尺寸较中间要大，仅在微腔的两端之间存有氧化铝，相邻微腔中间之间剩余有纯铝，并作为浮动电极，这样就形成完整的微型腔体阵列，同时微腔上下两侧已绝缘开来的两部分铝箔基底充当器件的两个电极，引出上下两个电极后，整个基底用玻璃密封抽真空，从而得到最终的含浮动电极的新型微等离子体器件。该器件结构简单，便于制作，且可以降低放电的最小维持电压，提高发光效率。
权利要求 :
1.一种含浮动电极的微等离子体器件，其特征在于：以铝箔为材料基底，铝箔基底中间部分设置有密集的微腔阵列，微腔内部有一层氧化铝（130），作为介质层，形成基本的Al/Al2O3/Al共面型电极结构，微腔两端尺寸较中间大，在相邻两个微腔的两端之间有氧化铝（130），相邻微腔两端部分纯铝完全氧化为氧化铝，使得相邻微腔两端部分彻底绝缘断开，相邻微腔中间部分有纯铝（140），纯铝（140）作为浮动电极，由微腔隔开的基底两部分作为上下两个电极，将两个电极引出，整个铝箔基底用玻璃密封，抽真空并充入工作气体构成密封体，即得到含浮动电极的微等离子体器件。
2.根据权利要求1所述的含浮动电极的微等离子体器件，其特征在于：以铝箔为材料基底，采用的铝箔厚度范围为：80-200μm。
3.根据权利要求1所述的含浮动电极的微等离子体器件，其特征在于：在铝箔基底上制作的微腔尺寸为50-1000μm。
4.根据权利要求1所述的含浮动电极的微等离子体器件，其特征在于：相邻微腔两端之间的间隙为30-100μm。
5.根据权利要求1所述的含浮动电极的微等离子体器件，其特征在于：所述的微腔由两端通孔（120）以及连接该两通孔的通道（121）构成。
6.根据权利要求1所述的含浮动电极的微等离子体器件，其特征在于：所述的工作气体为氖气或氩气惰性气体。
说明书 :
含浮动电极的新型微等离子体器件
技术领域
[0001] 本发明涉及一种共面电极结构的微等离子体器件，结构中含有浮动电极，对器件的整体性能有很大的改善。
背景技术
[0002] 微腔等离子体器件(Microcavity Plasma Devices，MPD)的特点是微腔尺寸小、放电气压高。正是由于这两个特点，而使MPD具有许多独特的放电特性，已然成为现在的研究主要热点之一。
[0003] 自1959年White第一次提出了微中空阴极辉光放电起，微等离子体已有了长足发展。最初的微腔等离子体器件是从微中空电极器件发展而来，因此早期的微等离子体通常被称为中空电极放电。
[0004] 微等离子体器件的结构有许多种，其中最常使用的是金属/介质/金属三层结构，许多放电特性的研究就是基于此结构。例如：1999年，Kunhardt和Becker提出了毛细管等离子体放电。2004年，Park在其博士毕业论文中对该结构器件不同尺寸的放电特性进行了细致的研究，实现了高气压下的等离子体喷射.同时，从1997年开始，Eden等人开发了硅上制作的微腔等离子体器件。最初在硅上采用钻孔工艺制作的为圆柱形微腔结构，继而在2001年研制了采用光刻工艺在硅上制作的倒金字塔型微腔结构。在此后的几年中，Eden等人逐渐将微腔等离子体阵列从3×3扩展到30×30、200×200、500×500。同时，2005年，Eden等人首次开发出了多层铝/氧化铝结构的微腔等离子体器件，并在之后的时间里，主要在铝基底上制作微腔阵列，与2009年将该器件阵列扩展到200×100和320×160两种。除以上材料，2001年，Vojak开发出了采用多层陶瓷平面工艺制作的多级陶瓷微放电器件，为了提高发光性能，Park于2004年采用碳纳米管提高了器件电极的着火电压和发光效率。
2005年Kim提出的玻璃上制作的微腔等离子体器件、2006年Park提出的铝/氧化铝/玻璃微腔等离子体器件和2007年Lu提出的可塑膜具制作的微腔等离子体阵列器件。早期器件中微腔尺寸一般为几百微米，最近已经减小到几十微米，并且有减小到十微米以下的趋势，当然随之制作工艺难度也将增加不少。
2005年Kim提出的玻璃上制作的微腔等离子体器件、2006年Park提出的铝/氧化铝/玻璃微腔等离子体器件和2007年Lu提出的可塑膜具制作的微腔等离子体阵列器件。早期器件中微腔尺寸一般为几百微米，最近已经减小到几十微米，并且有减小到十微米以下的趋势，当然随之制作工艺难度也将增加不少。
[0005] 自2003后，浮动电极就开始研究并被应用到等离子体显示器件中，2004年西安交通大学电子物理与器件研究所王建琪、刘纯亮等人实验发现(真空电子技术，第二期，2004，16-19页)，在传统的PDP显示单元中引入浮动电极，并合理优化设计浮动电极的宽度、间隙以及浮动电极与显示电极平面之间的介质厚度及其相对介电常数等参量，采用浮动电极后(1)PDP的最小维持电压得到了较大幅度的降低，平均降幅在80V左右；(2)发光效率高，则最小维持电压也高；(3)然而通过调整浮动电极的间隙，可以实现较高的发光效率，并且最小维持电压增加较少；(4)浮动电极间隙的效率指数最高(发光效率改变量/最小维持电压改变量)，而浮动电极与显示电极平面之间介质厚度的效率指数最低。此外，在
2005年，王建琪、胡文波等人申请了发明名称为：包含浮动电极的交流等离子体显示屏的专利(中国专利，NO.200510041993，公布于2007)，该发明公开一种包含浮动电极的交流等离子体显示屏，包括前玻璃板和后玻璃板。前玻璃板由玻璃板、两组维持放电电极、主浮动电极、隔离浮动电极、介质层和介质保护层构成。后玻璃板由玻璃板、寻址电极、障壁、荧光粉构成。将前玻璃板与后玻璃板封接在一起，经排气、充入单一惰性气体或惰性混合气体，最后封离，即形成等离子体显示屏。此类器件中相邻显示行之间非放电间隙两端为一对维持放电电极X或一对扫描/维持放电电极Y。在维持放电期间，利用主浮动电极锯齿状边缘和维持电极之间的预放电，降低维持电压，提高发光效率和发光亮度。隔离浮动电极可以起到阻止相邻单元之间放电串扰的作用，最终获得低功耗、高亮度、高对比度的等离子体显示屏。
2005年，王建琪、胡文波等人申请了发明名称为：包含浮动电极的交流等离子体显示屏的专利(中国专利，NO.200510041993，公布于2007)，该发明公开一种包含浮动电极的交流等离子体显示屏，包括前玻璃板和后玻璃板。前玻璃板由玻璃板、两组维持放电电极、主浮动电极、隔离浮动电极、介质层和介质保护层构成。后玻璃板由玻璃板、寻址电极、障壁、荧光粉构成。将前玻璃板与后玻璃板封接在一起，经排气、充入单一惰性气体或惰性混合气体，最后封离，即形成等离子体显示屏。此类器件中相邻显示行之间非放电间隙两端为一对维持放电电极X或一对扫描/维持放电电极Y。在维持放电期间，利用主浮动电极锯齿状边缘和维持电极之间的预放电，降低维持电压，提高发光效率和发光亮度。隔离浮动电极可以起到阻止相邻单元之间放电串扰的作用，最终获得低功耗、高亮度、高对比度的等离子体显示屏。
[0006] 对于器件尺寸更小的微等离子体显示器件(MPD)，现阶段的研究多集中在器件制作以及阵列寻址显示方面，关于浮动电极的引入、发光特性的改善尚未见文献发表及报道。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提出一种含浮动电极的新型微等离子体器件，该器件结构简单，便于制作，且可以降低放电的最小维持电压，提高发光效率。
[0008] 本发明提出的含浮动电极的新型微等离子体器件是这样实现的：
[0009] 以铝箔为材料基底，铝箔基底中间部分设置有密集的微腔阵列，微腔内部有一层氧化铝，作为介质层，形成基本的Al/Al2O3/Al共面型电极结构，微腔两端尺寸较中间大，在相邻两个微腔的两端之间有氧化铝，相邻微腔中间部分有纯铝，纯铝作为浮动电极，由微腔隔开的基底两部分作为上下两个电极，将两个电极引出，整个铝箔基底用玻璃密封，抽真空并充入工作气体构成密封体，即得到含浮动电极的新型微等离子体器件。
[0010] 以铝箔为材料基底，采用的铝箔厚度范围为：80-200μm。
[0011] 在铝箔基底上制作的微腔尺寸为50-1000μm。
[0012] 相邻微腔两端之间的间隙为30-100μm。
[0013] 所述的微腔由两端通孔以及连接该两通孔的通道构成。
[0014] 所述的工作气体为氖气或氩气等惰性气体。
[0015] 本发明所提出的含浮动电极的新型微等离子体器件具有如下的优点：
[0016] 1)器件采用铝箔为基底材料，该材料加工工艺成熟，简单易行。
[0017] 2)器件结构设计简单，涉及工艺环节较少，难度不大，便于制作。
[0018] 3)气体放电的维持电压，因浮动电极的关系，比普通等离子体显示器件要低。
[0019] 4)真空度要求不高，在10KPa～100KPa。
附图说明
[0020] 图1是本发明提出的新型微等离子体器件的腔体局部俯视截面图；
[0021] 图2是本发明提出的新型微等离子体器件的完整阵列俯视图；
[0022] 图3是共面电极微等离子体器件实施例之一腔体局部俯视截面图；
[0023] 图4是共面电极微等离子体器件实施例之一完整阵列俯视图；
[0024] 图5是另一种腔体结构的共面电极微等离子体器件，实施例之二；
[0025] 图6是共面电极微等离子体器件实施例之二完整阵列俯视图。
具体实施方式
[0026] 参照图1，首先将铝箔进行前期退火，去除铝箔表面的杂质和缺陷，使铝箔的结构得以重新晶化，晶粒得以长大，结晶性能得到提高。再对退火后的铝箔依次进行下了处理：去离子水冲洗，丙酮超声除油，去离子水冲洗，确保铝箔表面的纯净。然后，将铝箔与后基板玻璃170粘连，开始按照原先制作好的掩模板，在铝箔上进行光刻，刻出类似如图1中所示的微腔图案窗口，图案包括：两端的圆孔120及矩形通槽121。后在盐酸溶液中进行两次电化学腐蚀，得到微腔阵列。光刻腐蚀工艺完成后，再进行电化学氧化环节。通过控制参数，氧化时间等，使得相邻微腔两端部分纯铝完全氧化氧化铝130，彻底绝缘断开，也就是说微腔阵列将上下两部分铝箔隔开，同时因微腔两端独特的设计，相邻微腔腔体中间有部分纯铝140未被完全氧化，这部分纯铝就作为器件的浮动电极，对器件的性能有显著影响。铝箔表面已氧化为氧化铝160。
[0027] 图2给出了完整的共面电极微等离子体器件，完成上述的电化学氧化之后，将器件与前基板玻璃180粘连，然后将器件放入真空室中进行抽气，并充入工作气体，即氖气或氩气等惰性气体，之后进行密封处理。铝箔边缘处，开有通槽150，便于两个上下电极100及110引出并裸露在外，为后续加电测试做好准备。
[0028] 图3给出了新型共面电极微等离子体器件腔体的另一种结构，为本专利实施例之一，图4为其完整阵列俯视图。在这个实施例中，微腔两侧的铝箔作为器件的两个上下电极100和110，微腔两端的图案为矩形120，这样氧化后，间隙保留的纯铝的形貌也为矩形140，也就使得引入的浮动电极，形状发生变化，对于器件整体性能的影响与图1将有所不同，可以降低器件的维持电压，提高发光效率。
[0029] 图5给出了新型共面电极微等离子体器件腔体的另一种结构，为本专利实施例之二，图6为其完整阵列俯视图。在这个实施例中，微腔两端的铝箔作为器件的两个上下电极100和110，微腔两端的图案为菱形120，间隙保留的纯铝的形貌也为顶端为三角的长条矩形140，这样的设计，有利用氧化环节的进行，同时氧化后，间隙保留的纯铝形貌发生改变，也就是引入的浮动电极，形状发生变化，对器件整体性能的影响发生改变，有利于降低器件的维持电压，提高发光效率。
[0030] 本发明提出的含浮动电极的新型微等离子体器件是这样工作的：首先，对器件内部抽气，充入惰性气体氩气或氖气，并进行封装。然后，往上下两个电极加输入信号，输入信号波形可为交流正弦波或正负方波。只要输入信号的峰值高于器件着火电压，那么腔体内部惰性气体击穿放电，电离腔体气体，产生等离子体，实现整个介质阻挡放电过程。如果惰性气体种类为氖气，则放电还能发出红色可见光。为了进一步测量器件的光电特性，需要对其维持电压，放电电流，放电效率，发光亮度等结果进行记录，然后进行分析，得到参量间相互关系。