JP2000502496A - 電気スイッチング装置とこのスイッチング装置を利用した表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、材料（Ｍ₂）の基板によって支えられた材料（Ｍ₁）の膜を含み、材料（Ｍ₁）には前記膜を湾曲させるように膜と基板との界面で材料（Ｍ₂）に対して応力がかけられているスイッチング装置に関する。圧電手段などの電気的な制御手段を使用して、膜を安定した凹形状態と安定した凸形状態との間で切り換えることができる。この装置は表示装置に適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 電気スイッチング装置とこのスイッチング装置を 利用した表示装置 本発明の分野は、スイッチング装置、特に低電圧過渡信号を用いて０状態から １状態に移ることを可能にする小型装置の分野である。 現在この分野においては、シリコンの化学的マイクロマシーニング技術によっ て、クーロン力の原理に基づく静電マイクロアクチュエータを作成することが可 能である。 Ｆ＝ｑｑ’／４πε₀ｄ² ただし、ｑとｑ’は、ある厚さの空気によって分離された二枚のシリコンストリ ップの領域に生じる電荷であり、ｑとｑ’が互いに逆の符号を有する場合には、 力Ｆは引力となる。 こうして形成される空気コンデンサは、次式のキャパシタンスを有する。 Ｃ＝ε₀Ｓ／ｄ ただし、Ｓは電荷ｑとｑ’を支える対向する表面の面積であり、ｑ＝ｑ’＝ＣＶ である（Ｖは前記のコンデンサに印加される電 圧）。 力Ｆは、次式によって印加される電圧と関係づけられる。 Ｆ＝ε₀Ｓ²Ｖ²／４πｄ⁴ したがってこの力は、表面積と電圧とが与えられた場合、距離に従って非常に 急速に減少する。例えば表面積がＳ＝１００×１００ｍｍ²、切換距離が５μｍ の距離ｄに等しく、印加される電圧が１０Ｖの場合、０．１ｐＦのキャパシタン スおよび０．３ｍＮの力Ｆが得られる。 これらの値は非常に小さく、これが、静電アクチュエータの設計者が信頼性と 堅牢さを損ってもコンデンサのキャパシタンスを増加するためにインターデジタ ル形コームまたは複雑な設計の使用をしばしばさせざるを得なくなる理由である 。 別の研究では、圧電層を使用して、はるかに効率的にしかもより大きな変形で シリコンビームまたはシリコンプレートを作動させることができることがわかっ ている。長さＬ、弾性率Ｙのビームの厚さｅ₀と比較して薄い厚さｅの圧電材料 の層によってビームに加えられる分配されたモーメントは、こうして形成された ニストリップシステムに対する次の近似式で与えられる。 Ｍ＝１／２・Ｙ・ｄ₃₁ｅ₀Ｌ・Ｖ 圧電係数ｄ₃₁が２００ｐＣ／Ｎ、弾性率が４．３×１０¹¹・Ｎ／ｍ²のＰＺＴ型 圧電材料で、１０Ｖの電圧が印加される場合、長さＬのビームに加えられる力Ｆ は次のようになる。 Ｆ＝Ｍ／Ｌ＝１／２・Ｙｄ₃₁・ｅ₀・Ｖ すなわち Ｆ＝４．７ｍ・Ｎ したがって上記の静電アクチュエータにおけるよりも１０倍大きな値である。 この力はさらに、（第１近似で）ビームの曲率とは無関係であり、したがって 電圧が印加されない安定状態に対応する切換状態と、電圧が圧電層に印加される ときの励起状態に対応する切換状態との間の距離ｄとは無関係である。 シリコンビームが変形しているときにシリコンビームによって加えられる（力 Ｆ＝Ｍ／Ｌに対抗する）復元力は、曲げ剛性ｙ₀に関係する。 ｙ₀＝Ｙ₀・Ｃ₀ ³／１２（１−ｖ₀ ²） ただし、ｖ₀はポアソン比であり、ほとんどの硬質材料で０．４２程度である。 この復元力Ｆ’は次式によって定義される。 Ｆ’＝ｙ₀・ｄ／Ｌ² この式でｄは、第１図に示すように、二つの切換状態を分離する距離、あるいは 圧電層に印加される電圧Ｖによって二ストリップシステムがとることができる距 離である。点線は電圧が印加されていない二ストリップシステムを示し、実線は 電圧ｖが印加されている二ストリップシステムを示す。二ストリップシステムは 圧電装置を組み込んだ単一層の形状で示されている。 二つの切換状態の距離ｄ＝５μｍの場合、 Ｆ’＝５．５ｍＮ（力Ｆの程度） こうして、１０Ｖ程度の電圧によって、変形した二ストリップシステムの平衡 をとり、５μｍ程度の距離で分離された二つの切換状態を生成することが可能に なる。 それにもかかわらず、この形式のスイッチには、励起された状態は非常に安定 ではないという欠点がある。このような二ストリップシステムは圧電材料中に分 極を減少させる電界が形成されるためその平衡位置に戻るのが遅い傾向があるの がこの原因である。したがってこのシステムは、誘電体すなわち空気中でスクリ ーンチャージ現象が起こらない静電スイッチとは異な り、圧電層上に直流電圧を維持することによってシステムの励起状態を無制限な 時間維持することはできない。 これに関連して、また上述の主な欠点を解決するために、本発明は、二つの安 定状態の間で切り換わる膜、すなわち所定の状態にシステムを維持するのではな くある状態から他の状態へトグルするためだけに必要とされる電気的切換制御手 段を利用したスイッチング装置を提案する。 さらに詳しくは、本発明の主題は、材料Ｍ₂の基板によって支持された材料Ｍ₁ の少なくとも一つの膜と、前記膜を０状態と１状態の間で電気的に切り換える手 段とを含むスイッチング装置であり、この装置は、前記膜を安定な０状態または 安定な１状態に湾曲させるように、材料Ｍ₁が膜と基板の界面において材料Ｍ₂に 対して応力がかかることを特徴とする。 本発明の好ましい変形実施形態によれば、０状態から１状態に切り換える手段 は、二つの安定状態０、１を示す二ストリップシステムを構成するように膜表面 上に堆積された圧電層を含む。 基板は有利にはシリコンで作成することができ、膜は有利にはシリコンに対し て応力がかかるシリカまたは窒化ケイ素型で 作成することができる。実際に、シリカまたは窒化ケイ素型の膜の構成材料Ｍ₁ が基板に対してその応力を緩和できるような堆積条件を使用する方法、または冷 却中に界面応力を導入する膨脹係数の相違を変える方法が知られている。 本発明の主題はまた、その画素の光学的状態が電気的に制御可能である液晶マ トリックス型の従来型マトリックスと、上述のような基本的スイッチング装置の マトリックスとを結合した表示装置である。 アクティブマトリックスの各画素は、基本的スイッチング装置の圧電材料の上 部制御電極に面している。 本発明の表示装置の一変形実施形態によれば、基本スイッチング装置のマトリ ックスは誘電層と金属製接地面で覆われている。 非限定的な例を用いて、添付の図面を参照して述べる以下の説明を読めば、本 発明がよりよく理解され、その他の利点が完全に明らかになろう。 第１図は、二ストリップシステムを使用する従来技術によるスイッチング装置 を示す図である。 第２図は、本発明によるスイッチング装置を示す図である。 第３図は、本発明によるスイッチング装置用の圧電制御手段を示す図である。 第４図は、本発明によるスイッチング装置のプレストレス膜の変形の特性パラ メータを示す図である。 第５図は、膜を基板から部分的に解放するための開口を膜が有する、本発明に よるスイッチング装置の平面図である。 第６図は、液晶マトリックス型の表示装置と液晶マトリックス型の表示装置の 制御を可能にする本発明による電気的スイッチのマトリックスの連結体を示す図 である。 第７図は、液晶画素マトリックスのアドレス指定に使用されるスイッチのアド レス指定を可能にする電極セット１５_ij、１６_ijの平面図である。 本発明によるスイッチング装置は、膜と膜を支える基板との構成材料の性質に 応じて湾曲されるように応力がかかる膜を含む。 膜をある一つの安定状態からもう一つの安定状態に切り換えるために、装置は 有利には圧電型の手段を備え、一つの安定状態からもう一つの安定状態への移行 は、この場合には一つの簡単な電気パルスによって行われる。 第２図にこのようなスイッチング装置を示す。材料Ｍ₁製の膜１１は材料Ｍ₂製 の基板１２によって支持されている。この膜は、実線で描き１１₀を付けたいわ ゆる０状態に対応する凸状で示してあるが、構造的には後で説明するように同じ 確率で凹状をとり（破線で描き１１₁を付けた）１状態に対応することができる 。 膜は、電極１５と電極１６との間に挿入された圧電材料の層１４からなる圧電 装置を含む。 圧電装置は第３図に示すように、膜と比較して厚さが薄く、材料Ｍ₂に対する 材料Ｍ₁の挙動をただわずかに変えることが好ましい。 シリコンマイクロマシーニングと溶接またはシリコン／シリコンもしくはシリ カ／シリコンマイクロアセンブリの従来技術が、この形式の装置を作成するため に使用される。これによって、シリコン基板に接合される膜を形成するためにシ リコンに対して応力がかかる材料層で覆われたシリコン基板の部分が解放され、 前記膜が、事前に圧電装置を備えておくこと、および基板を化学的に加工するこ とによってこれを行うことが可能である。これには、いわゆる背面（応力のかか る材料の層と反対 側）におけるボリューム加工、または中間犠牲層を使用する表面加工が含まれる 。加工の後に、膜は板の力学で知られている「座屈」現象によってその応力を緩 和させる。その後もちろん、膜は凸状の湾曲（いわゆる０状態に対応）または凹 状の湾曲（いわゆる１状態に対応）をとる。 σを材料Ｍ₁の層における応力とすれば、長さｄの膜の伸びΔｄは下記の式に よって定義される。 Δｄ＝σ・ｄ／ｅ₀ ここでｅ₀は膜の厚さであり、対応する曲率半径Ｒ₀は膜ｄ₀＝ｄ＋Δｄの最終 長さに関係する。 Δｄ／ｄ＝ｄ₀／４Ｒ₀ あるいは Ｒ₀＝Ｙ₀・ｄ₀／４σ₀ こうして、１ＧＰａのプレストレスでは、弾性係数２０ＧＰａ、長さｄ＝１０ ０μｍの窒化ケイ素膜は曲率半径Ｒ₀＝０．５ｍｍになる。 第４図は、プレストレスが存在する場合の膜１１の湾曲、ならびにさまざまな パラメータｄ、ｄ₀、Ｒ₀、ｈ₀を図示し、２ｈ₀は凸状０状態と凹状１状態の間の ギャップを表す。 また、ｈ₀＝ｄ₀ ²／４Ｒ₀＝ｄ₀σ₀／Ｙ₀と書くこともでき、これからｈ₀の値は ５μｍとなる。 膜が０状態または１状態にあるとき、その状態は、圧電材料の層に電圧Ｖを印 加することによって他の状態すなわちそれぞれ１または０に切り換えられる。こ れを行うためには単に、初期応力σ₀を相殺する応力σを膜と基板との界面に生 じさせればよい。 圧電効果により、分極の変化ΔＰに関係するせん断応力σを圧電材料中に電気 的に導入する方法が知られている。ただし、σ＝ΔＰ／ｄ₃₁ ｄ₃₁は材料の圧電係数である。あるいは ΔＰ＝χ・ΔＦ＝（１＋ε₀ε）Ｖ／ｅ≒ε₀εＶ／ｅ ｅは圧電材料層の厚さであり、したがって下記の値の場合に１０ボルトの必要 電圧Ｖが得られる。 ｅ＝０．５μｍ ε＝１０００ ε₀＝８．８ｐＦ／ｍ ｄ₃₁＝２００ｐＣ／Ｎ こうして、約１０ボルト程度の電圧によって膜を第一安定状態０から第二安定 状態１へ移行させることができる。 膜がその第二安定状態に切り換えられたときには、電圧を印加する必要はもう ないことに留意すべきである。このようなスイッチング装置では、従来技術で見 られる緩和効果はもはや発生せず、切換の瞬間にのみ圧電装置に給電する必要が ある。したがってこれはエネルギー消費量が非常に少ない装置である。実施形態 （１，０，０）シリコン基板から出発して、水蒸気の存在下で９５０℃、また は乾燥酸素の下で１０５０℃でのアニールによって二つの面上に熱シリカ層を作 成する。 マイクロリソグラフィを使用して、前面のシリカの全部および後面のシリカの 一部分をＨＦ酸または反応性プラズマでエッチングするが、これによって後でシ リコンの化学的または電子加工に使用される矩形マスクの形成が可能になる。 強い応力のかかったシリカＳｉＯ₂または窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄の層を、例えば ３００〜６００℃の低温でＰＥ−ＣＶＤ（プラズマ強化化学的気相堆積）によっ て前面上に堆積させる。次いでこの層を、基板に対して将来の膜に少ない応力が かかるようにすることができるパターンを前面上に形成するように、局部的にエ ッチングする。こうして作った開口１７、１８を第５ 図に示す。 例えば白金製の圧電装置用下部電極１５を、後で従来のマイクロリソグラフィ 工程によって除去される樹脂マスクを通じて堆積させる。 圧電材料の層１４を、遠心法または他の何らかの薄層堆積技法によって堆積さ せ、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）の層を堆積させる。この層はその後、（樹 脂で後面を保護して）希ＨＦ型の酸によってエッチングする。 ＰＺＴは、下の層における応力が緩和しないように２分程度の短時間６００〜 ７００℃の温度で急速アニールすることによって、結晶化し高密度化させる。 最後に、下部電極と類似の上部電極１６を堆積する。 こうして得られたスイッチの平面図を第５図に示す。 膜部分を規定するために、シリコンを苛性カリまたはシリカを侵さない性質を 有する他の通常使用される何らかの溶液で加工する。 こうしてシリカ膜は解放されて、緩和して第２図に示す湾曲形状（凹形または 凸形）をとり、事前に形成された圧電コンデンサを伴う。 この実施形態は、膜を含むスイッチング装置について説明した。 本発明の他の変形実施形態によれば、スイッチング装置は、適当なマイクロリ ソグラフィマスクを用いて上記の工程段階すべてをまとめて使用して作成された 基本的スイッチのマトリックスを含む。 この形式のスイッチマトリックスは、液晶マトリックス、プラズマスクリーン 、発光ダイオードなどの表示装置に結合することによって視覚化のために使用で きて有利である。 第６図は、本発明によるスイッチング装置を利用した例示的な表示装置を示す 。 この表示装置は、上部電極と呼ばれる共通電極１９を含む画素ＰＸＬ_ijのマト リックスを含み、各画素はまた下部電極と呼ばれる２０_ijを含む。 スイッチング装置は、基板によって支えられた基本膜１１_ijを含む。各膜１１_ij は、下部電極と呼ばれる電極１５_ij、圧電材料の層１４_ij、および上部電極と 呼ばれる電極１６_ijで覆われている。スイッチングマトリックス装置と表示装置 （ここでは液晶マトリックスとして示されている）の間の良好な電 気接続を確保するために、接地面ＰＭを作成することができる。このために、誘 電材料の層を圧電素子のセット上に堆積し、接地面を構成する電極をこの層の表 面に堆積する。この圧電素子に電圧パルスを送ると、結合された膜は反りを変え て接地面を第６図に示すような関連する液晶画素ＰＸＬ_ijに電気的に接続または 遮断する。基本膜のレベルで新しいパルスが開始しない限り、関連する画素のア ドレス指定状態は変化しないままである。 第７図は、圧電層のいずれかの側に位置する下部電極１５_ijと上部電極１６_ij のセットの平面図である。 前記圧電層の、したがって液晶画素のアドレス指定は、−１／３、２／３電圧 というよく知られている規則に従って実施できる。電圧Ｖを受け取った画素のみ が励起されて、反対の状態にトグルし、他の画素は、発生する応力が前述の応力 σ₀の値に到達するのに十分な電圧を受け取らない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デユボワ，ジヤン−クロード フランス国、エフ−94117・アルクイユ・ セデツクス、アブニユ・ドユ・プレジダ ン・サルバドール・アランド、13、トムソ ン−セーエスエフ・エス・セー・ペー・イ (72)発明者 スピツツ，エリツク フランス国、エフ−94117・アルクイユ・ セデツクス、アブニユ・ドユ・プレジダ ン・サルバドール・アランド、13、トムソ ン−セーエスエフ・エス・セー・ペー・イ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 材料（Ｍ₂）の基板によって支持された材料（Ｍ₁）の少なくとも一つの膜 と、（０）状態と（１）状態の間で前記膜を電気的に切り換える手段とを含むス イッチング装置であって、前記膜を安定である（０）状態または（１）状態に湾 曲させるように、材料（Ｍ₁）に膜と基板との界面で材料（Ｍ₂）に対して応力が かけられていることを特徴とするスイッチング装置。 ２． （０）状態から（１）状態に切り換える手段が、膜上に堆積された下部電 極（１５）、該電極（１５）上の圧電材料層（１４）、および前記層（１４）上 の上部電極（１６）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のスイッチ ング装置。 ３． 基板がシリコンで作成されることを特徴とする請求の範囲第１項または第 ２項に記載のスイッチング装置。 ４． 膜がシリカで作成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のスイ ッチング装置。 ５． 膜が窒化ケイ素で作成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の スイッチング装置。 ６． 電気的に制御可能な光学的状態を有する画素マトリック ス（Ｐｘ_ij）を含む表示装置であって、請求の範囲第２項から第５項のいずれか 一項に記載の基本的スイッチング装置を含み、各画素（Ｐｘ_ij）は、関係付けら れた膜（１１_ij）がその二つの安定状態（０）または（１）の一つにあるときに 前記画素（Ｐｘ_ij）との接触状態に戻るように、スイッチング装置の上部電極（ １６_ij）と対向していることを特徴とする表示装置。 ７． 基本的スイッチング装置のマトリックスが誘電層および金属製接地面（Ｐ Ｍ）で覆われて、前記マトリックスと画素のマトリックスとの間の電気的接触を 保証することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の表示装置。