CN101606085A - 电润湿装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电润湿装置及其制造方法。根据本发明的电润湿装置(10)可以防止由于高介电常数薄膜的使用而导致的耐压特性的劣化，从而确保具有高可靠性的绝缘结构；并且包括导电性的第一液体(11)、绝缘性的第二液体(12)、限定用于在其中容纳第一和第二液体的液体室(18)的透明基板(14)和盖体(15)、在透明基板(14)的液体室(18)侧的表面上形成的电极层(16)以及在电极层的表面上形成的绝缘层(17)。绝缘层(17)具有由绝缘无机结晶材料制成的第一绝缘膜(17a)和由绝缘无机非晶材料制成的第二绝缘膜(17b)的层压结构，其使得第一绝缘膜(17a)表面的凹凸通过第二绝缘膜(17b)得到缓和，因此可以实现低电压驱动。结果，可以获得耐压强度良好的高可靠性绝缘层。

Description

电润湿装置及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求基于2007年2月13日向日本专利局提交的日本专利申请第2007-031442号的优先权，并结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及利用电润湿效果(电毛细现象)的电润湿装置及其制造方法。

背景技术

近年来，利用电润湿效果的电润湿装置的发展已经取得进展(例如，参考PCT专利公开第WO 99/18456号的文件)。电润湿效果是指当在具有导电性的液体和电极两端施加电压时，电极表面和液体之间的固液界面的能量发生变化，以及因此液体表面的形状发生变化的现象。

通常，电润湿装置包括导电性的第一液体、绝缘性的第二液体、限定用于在其中容纳第一和第二液体的液体室的一对基底材料(下部基板和上部基板)、在下部基板的表面上形成的电极层、以及在电极层的表面上形成的绝缘层(例如，参考日本专利公开第2003-302502号)。在其间夹入绝缘层的导电性的第一液体和电极层两端施加电压，其导致第一和第二液体之间的界面形状由于电润湿效果而变化。因此，使得第一和第二液体的折射率彼此不同，由此，可以构成可变聚焦透镜，其中，两种液体之间的界面形状根据施加电压的大小而可逆变化。

发明内容

近年来，需要发展具有高可靠性的通过低驱动电压驱动的电润湿装置。如上所述，根据在导电液体和电极层两端施加的电压的大小来驱动电润湿装置。驱动电压与在导电液体和电极层之间插入的绝缘层的介电常数成正比，并且与绝缘层的厚度成反比。因此，将高介电常数材料形成为具有较小厚度的绝缘层，从而可以减小用于电润湿装置的驱动电压。这里，已知由诸如金属氧化物的绝缘无机结晶材料构成的溅射膜等是具有高介电常数的绝缘材料。

然而，由于膜沉积之后的膜表面的凹凸(不均匀)在这种无机材料中相对较大，所以这种无机材料涉及膜厚度的均匀性较差的问题，因此难以获得稳定的耐压特性。即，在所形成的高介电常数薄膜具有凹凸峰的局部区域和导电液体之间发生电流泄漏，因此绝缘层的介电击穿发生的可能性变高。

因此，根据所描述的问题而作出了本发明，因此本发明的主题是提供一种电润湿装置及其制造方法，其能够通过防止耐压特性由于高介电常数薄膜的使用而劣化来确保高可靠性的绝缘结构。

为了解决上述问题，根据本发明，提供了一种电润湿装置，包括：导电性的第一液体；绝缘性的第二液体；限定用于在其中容纳第一和第二液体的液体室的一对基底材料；在这对基底材料之一的液体室侧的表面上形成的电极层；在电极层的表面上形成的绝缘层；电润湿装置的特征在于绝缘层具有由绝缘无机结晶材料制成的第一绝缘膜和由绝缘无机非晶材料制成的第二绝缘膜的层压结构。

此外，根据本发明，提供了一种电润湿装置的制造方法，其中，在电润湿装置中导电性的第一液体和绝缘性的第二液体容纳于密封的液体室中且不会彼此混合，并且通过绝缘层将电极层设置在液体室内表面的一部分上。该方法的特征在于通过以下处理来形成绝缘层：用于在电极层上沉积由绝缘无机结晶材料制成的第一绝缘膜的处理；以及用于在第一绝缘膜上沉积由绝缘无机非晶材料制成的第二绝缘膜的处理。

在本发明中，以绝缘无机结晶材料和具有比绝缘无机结晶材料更高的表面平坦性的绝缘无机非晶材料的层压结构的形式构成绝缘层。结果，可以构成表面平坦性良好的无机绝缘层，因此可以获得耐压强度高的以及可靠性良好的绝缘结构。此外，由于可以将具有高介电常数的绝缘层形成为具有较小的厚度，所以可以减小用于电润湿装置的驱动电压。

在本发明中，第一和第二绝缘膜由在其中包含有彼此相同的金属元素的氧化物构成，结果，可以构成粘合性能良好的绝缘层。适宜地，制造分别用来制成构成电极层和绝缘层的材料，使得在其中包含有同种金属的氧化物，其导致可以提高电极层和绝缘层之间的粘合性能。具体地，例如，电极层由AZO制成，第一绝缘膜由ZnO制成，而第二绝缘膜由ZnAlO制成。

可以通过例如溅射方法利用使用真空的薄膜形成装置来形成这些第一和第二绝缘膜。在这种情况下，可以在控制浓度的氧环境气氛中利用溅射方法形成由金属氧化物薄膜制成的绝缘膜。

如上文所述，根据本发明，由于可以构成具有高介电常数以及表面平坦性良好的绝缘层，所以可以减小用于电润湿装置的驱动电压，并且提高电润湿装置的可靠性。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施方式的电润湿装置的示意性结构的侧截面图。

图2是示意性地示出电润湿装置的绝缘层结构的截面图。

图3是说明了电润湿作用的原理的视图。

图4是示出了根据本发明的实例的电极层和绝缘层的表面的观察结果的视图。

图5是示出了根据本发明实施例的绝缘层的耐(电)压强度的示图。

图6是示出了在本发明的电润湿装置的制造中使用的溅射系统的结构实例的示意性示图。

具体实施方式

下文，将参照附图描述本发明的实施方式。

图1是示出了根据本发明实施方式的电润湿装置10的示意性结构的侧截面图。在该实施方式的电润湿装置10中，导电性的第一液体11和绝缘性的第二液体12容纳于密封液体室18的内部。同样，电润湿装置10包括具有通过第一液体11和第二液体12之间的界面13A形成的透镜表面的透镜元件13。例如，电润湿装置10用于照明光学器件、相机的闪光灯单元等，并且以任意改变透射通过电润湿装置10的光L的焦距的可变聚焦透镜元件的形式而构成。

具有导电性的透明液体被用作第一液体11。例如，水、电解液(诸如氯化钾、氯化钠或氯化锂的电解质的溶液)、具有小分子量的诸如甲醇或乙醇的醇类、或诸如常温熔盐的极性液体(离子液体)可以用作第一液体11。

具有绝缘性能的透明液体被用作第二液体12。例如，诸如癸烷、十二烷、十六烷或十一烷的烃系材料、或诸如硅油的非极性溶剂或氟系材料可以用作第二液体12。在该实施方式中，尽管使用了比第一液体11的表面张力更小的第二液体12的表面张力，但是当然，本发明绝不限于此。

分别选择具有彼此不同的折射率并且可不相互混合而存在的材料作为第一和第二液体11和12。具体地，在该实施方式中，氯化锂溶液(浓度3.66wt％，折射率1.34)被用作第一液体11，以及硅油(由GE Toshiba Silicone Co.，Ltd.(日本通用电气东芝有机硅有限公司)制造的TSF437，折射率1.49)被用作第二液体12。此外，第一和第二液体11和12优选具有彼此相同的比重。注意，第一和第二液体11和12可以按照需要进行着色。

接着，液体室18限定为通过将作为一对基底材料的透明基板14和盖体15相互粘合而构成的容器的内部。

透明基板14和盖体15分别由光学透明绝缘基底材料构成。例如，透明基板14和盖体15由塑料材料的注射成型体、玻璃材料、各种陶瓷材料等构成。可以使用诸如聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚砜(PES)或聚烯烃(PO)的透明高聚物材料作为塑料材料。

在该实施方式中，在透明基板14的液体室18侧的表面部分上形成用于在其中容纳透镜元件13的凹部14A。应注意，透明基板14的表面形状可以任意形成，因此可形成为平面，而不限于上述实例。

在透明基板14的液体室18侧的表面上形成电极层16。电极层16由透明电极材料制成。在该实施方式中，电极层16由溅射膜构成，所述溅射膜由从其中含Zn的组中所选择的至少两种以上的金属氧化物构成。具体地，尽管电极层16由AZO(ZnO-Al₂O₃)制成的溅射膜而构成，但是本发明绝不限于此。例如，可例举ITO(氧化铟锡)、GZO(ZnO-Ga₂O₃)、SZO(ZnO-SiO₂)等。

此外，在电极层16上形成根据本发明的绝缘层17。图2是示出了绝缘层17的结构的电极层16的周边的截面图。绝缘层17具有在电极层16上形成的由绝缘无机结晶材料制成的第一绝缘膜17a和在第一绝缘膜17a上形成的由绝缘无机非晶材料制成的第二绝缘膜17b的层压结构。

第一和第二绝缘膜17a和17b分别由透明氧化物制成，其通过利用诸如溅射方法或真空蒸发方法的真空薄膜形成技术而形成。第一绝缘膜17a本身由结晶绝缘膜形成，以及第二绝缘膜17b本身由非晶绝缘膜形成。第二绝缘膜17b是为了吸收(减缓，absorb)结晶第一绝缘膜17a表面的凹凸而设置的。

例如，诸如ZnO、Al₂O₃、MgO、HfO₂、ZrO₂、Fe₂O₃或TiO₂的高介电常数薄膜适于用作第一绝缘膜17a。另一方面，例如，ZnAlO、SiO₂、SiN_x等适于用作第二绝缘膜17b。

在该实施方式中，第一绝缘膜17a由ZnO制成，第二绝缘膜17b由ZnAlO制成。第一绝缘膜17a和第二绝缘膜17b由在其中包含有彼此相同的金属元素的(多种)氧化物制成，由此，提高了第一绝缘膜17a和第二绝缘膜17b之间的亲和力，从而可以提高粘合性能。此外，由于制成电极层16的材料(AZO)在其中包含有与绝缘膜17a和17b中的每一个都相同的金属元素，所以可以增强电极层16和第一绝缘膜17a之间的相互粘合性能，并且可以通过提高第一绝缘膜17a的结晶取向特性来实现高介电常数的提高。应注意，稍后将描述形成电极层16和绝缘层17的方法的细节。

在该实施方式中，尽管第一和第二绝缘膜17a和17b的厚度没有特别限制，但是第二绝缘膜17b形成为具有等于或小于第一绝缘膜17a的厚度。这样做的原因是因为第一绝缘膜17a由于它的结晶性能而具有比第二绝缘膜17b更高的介电常数，并且因此总体上确定绝缘层17的介电常数。此外，这样做的原因是因为第二绝缘膜17b具有足够用于缓和第一绝缘膜17a的表面平坦性的厚度。应当注意，绝缘层17的表面优选具有防水性能。考虑到这种观点来选择用于制成第二绝缘膜17b的材料，或为第二绝缘膜17b的表面进行防水处理(repellency treatment)。

在电极层16的形成区域的整个区域之上形成绝缘层17，从而防止在电极层16和导电性的第一液体11之间引起电短路。绝缘层17通过电极构件19面向盖体15。设置电极构件19用于从液体室18的外部向第一液体11施加电压，并且其具有在透明基底材料14和盖体15之间执行密封的功能。

以上述方式构成的该实施方式的电润湿装置10设置有用于在电极层16和电极构件19(第一液体11)两端施加驱动电压的电压供给源V。第一液体11和第二液体12之间的界面13A的形状是球面的或非球面的，并且它的曲率根据从电压供给源V提供的驱动电压的大小而变化。同样，由于界面13A构成具有与第一液体11和第二液体12之间的折射率差相对应的透镜光学能力的透镜表面，所以驱动电压大小的调节导致可以改变从盖体15侧入射到透明基板14侧的光L的焦距。

图3A和图3B示出了用于透镜元件13的驱动原理。图3A示出了在未在第一液体11和电极层16两端施加驱动电压时，绝缘层17和第一液体11之间、第一液体11和第二液体12之间以及第二液体12和绝缘层17之间的界面张力的状态。同样，图3B示出在第一液体11和电极层16两端施加预设驱动电压时，绝缘层17和第一液体11之间、第一液体11和第二液体12之间以及第二液体12和绝缘层17之间的界面张力的状态。

三种界面张力发生在透镜元件13内部的绝缘层17/第一液体11/第二液体12中。即，三种界面张力是绝缘层17和第一液体11之间的张力(SW)、第二液体12和第一液体11之间的张力(OW)以及绝缘层17和第二液体12之间的张力(SO)，在这里分别以γsw、γow和γso表示。

当不施加驱动电压时，根据所谓的杨-拉普拉斯(Young-Laplace)等式，在三种界面张力与接触角(θ)之间建立下列关系，所述接触角(θ)是绝缘层17和第二液体12之间的接触角，并基于杨-拉普拉斯等式确定界面13A的形状：

cosθ＝(γsw-γso)/γow。

当施加驱动电压时，界面13A的形状由于电润湿作用而改变。即，通过施加驱动电压而在绝缘层17和第一液体11之间的界面中产生电荷，由此在绝缘层17和第二液体11之间在张力(SO)的方向上施加由下列表达式表示的压力F：

F＝1/2(ε·ε0/d)V²

(其中，ε表示绝缘层的介电常数，ε0表示真空的介电常数，d表示绝缘层的厚度，而V表示施加的电压。)

因此，在三种界面张力与接触角(θ)之间建立通过下列表达式表示的关系，所述接触角(θ)是绝缘层17和第二液体12之间的接触角。因此，接触角θ与没有施加电压时的情况相比较增大了，使得界面13A的形状变化。此外，可以通过改变电压来控制变化的程度：

cosθ＝(γsw-γso)/γow-1/2(ε·ε0/d)V²...    (1)

如已经描述的，具有彼此不同的折射率的第一和第二液体11和12之间的界面13A的形状发生变化，从而可以改变透镜元件13的焦距。同样，可以根据施加的电压来控制焦距。

另一方面，从表达式(1)，尽管驱动电压(V)相同，但随着绝缘层17的介电常数(ε)变得更大或绝缘层17的厚度变得更小，透镜元件13的界面13A的形状可以大大改变。因此，为了减小用于透镜元件13的驱动电压，需要使绝缘层17的介电常数增高或需要使其厚度减小。

因此，由于在该实施方式中，绝缘层17(第一和第二绝缘膜17a和17b)由无机材料制成，所以与诸如聚对二甲苯或PTFE(聚四氟乙烯)的有机材料的情况相比较，能够以小的厚度获得更大的介电常数。结果，由于在透镜元件13中可以较低的驱动电压引起形状的较大变化，所以可以减小用于电润湿装置10的驱动电压。

此外，根据该实施方式，由于绝缘层17以由无机结晶材料制成的第一绝缘膜17a和由无机非晶材料制成的第二绝缘膜17b的层压结构的形式构成，所以第一绝缘膜17a表面的粗糙被第二绝缘膜17b覆盖，从而可以提高绝缘层17的表面平坦性。结果，绝缘层17的厚度均匀化，并且绝缘层17的耐压特性增强。

图4示出了通过使用扫描探针显微镜(由SEIKO InstrumentsCo.，Ltd.(SEIKO器械公司)制造的“SPA400”)执行的用于电极层16、第一绝缘膜17a以及第二绝缘膜17b的层的表面的观察结果的实例。这里，图4A示出了在硅基板上沉积具有100nm厚度的AZO膜作为电极层且表面粗糙度(Ra)是1.7nm的情况。图4B示出了在AZO膜上沉积具有50nm厚度的ZnO膜作为第一绝缘膜17a且表面粗糙度(Ra)是3.3nm的状态。图4C示出在ZnO膜上形成具有50nm厚度的ZnAlO膜作为第二绝缘膜17b且表面粗糙度(Ra)是1.7nm的状态。

从图4所示的结果显而易见地，可以认为，以在结晶绝缘膜(ZnO)上形成非晶绝缘膜(ZnAlO)的层压结构的形式而构成绝缘层，从而提高了绝缘层表面的平坦性。

此外，图5示出了通过相互比较具有绝缘层仅由无机结晶材料制成的单层结构的试样的耐压特性和具有在无机结晶材料层上形成无机非晶材料层的层压结构的试样的耐压特性而获得的实验结果。这里，在玻璃基板上形成具有100nm厚度的AZO膜作为电极层以及在AZO膜上形成具有114nm厚度的ZnO膜作为无机结晶材料的结构被用作具有单层结构的试样。另一方面，在玻璃基板上形成具有100nm厚度的AZO膜作为电极层、在AZO膜上形成具有50nm厚度的ZnO膜作为无机结晶材料、以及在ZnO膜上形成具有50nm厚度的ZnAlO膜作为无机非晶材料的结构被用作具有层压结构的试样。

从图5所示的结果看出，具有单层结构的试样的情况下的耐压强度是0.26MV/cm，而具有本发明的层压结构的试样的情况下的耐压强度是3.05MV/cm，因此可看出耐压强度的显著提高。

接下来，将对于在该实施方式的电润湿装置10的透明基板14上形成电极层16和绝缘层17的方法进行描述。

在透明基板14的表面上通过连续的膜沉积形成构成该实施方式中的电润湿装置10的电极层16和绝缘层17。使用诸如溅射方法或真空蒸发方法的真空薄膜形成技术作为用于这些电极层16和绝缘层17的膜沉积方法。特别地，在该实施方式中，使用溅射方法。图6示出了溅射系统的结构的实例。

图6所示的溅射系统20是D.C.(直流)溅射系统。用于保持基板(透明基板)14的基板固定器22和用于保持靶23的靶固定器24设置在室21内以彼此相对，因此适于在基板14和靶23两端施加电压。具体地，基板14通过基板固定器22接地，并且靶23通过靶固定器24连接至D.C.电源25。因此，从D.C.电源25向靶23施加相对于基板14的地电位的预定的负电压。

此外，溅射系统20在室21内具有作为排气系统的空气活塞泵26。此外，溅射系统20具有作为气体供给系统的Ar气罐27、O₂气罐28以及气体管道29，所述气体管道用于将来自气罐27和28的气体在中途相互混合，并引导所得的混合气体至室21。通过设置在气体管道29中的Ar气流量控制器27a和O₂气流量控制器28a，以各流量比和混合气体的流量来控制混合气体，并且引导其通过处理气体进气口(process gas feed port)29a进入室21。

在通过溅射系统20在基板14上沉积电极层16时，首先，在基板固定器22中设置基板14，并且在靶固定器24中设置靶23。这里，基于用于制成电极层16的材料来选择靶23。在该实施方式中，使用在ZnO中含有Al₂O₃的靶(AZO靶)。在靶23中的Al₂O₃含量优选等于或少于10wt％。

接着，通过使用空气活塞泵26抽空室21。同样，通过处理气体进气口29a将通过彼此混合预定量的作为反应气体的O₂气和Ar气而获得的混合气体引入至室21同时保持预定的真空度(例如，在0.1Pa～1Pa的范围内)。这里，调节混合气体流量(sccm)的比率(反应气体流量比(O₂/Ar))，使得沉积的透明膜具有导电性，以使它的阻抗值等于或小于预定值(例如，在AZO靶的情况下是0.2％)。或者，可以不将O₂气引入至室21，而可以仅将Ar气引入至室21。

接着，通过D.C.电源25在靶23和基板14两端施加电压，使得以大气气体(O₂+Ar，或Ar)引起辉光放电以形成等离子体P。由D.C.电源25提供电力(例如，在0.1W/cm²～7.8W/cm²的范围内)以开始溅射，从而在基板14上形成基于靶组合物的电极层16。

在上述的方式中，在基板14上形成透明电极层16。随后，在电极层16上沉积绝缘层17。通过用于沉积第一绝缘膜17a的处理和用于沉积第二绝缘膜17b的处理来进行绝缘层17的膜沉积。通过使用与图6所示的溅射系统20相同的溅射系统来进行第一和第二绝缘膜17a和17b的膜沉积。

在这种情况下，为第一绝缘膜17a的膜沉积使用Zn金属靶作为靶23，并且调节生产气体的氧气流量比(O₂/(O₂+Ar))以等于或大于40％。通过上述的反应性溅射在电极层16上沉积由结晶ZnO膜形成的第一绝缘膜17a。

另一方面，为第二绝缘膜17b的膜沉积使用通过用Al掺杂Zn而获得的合金靶作为靶23，并且调节生产气体的氧气流量比(O₂/(O₂+Ar))以等于或大于40％。通过上述的反应性溅射在第一绝缘膜17a上沉积由非晶AlZnO膜形成的第二绝缘膜17b。

应注意，尽管在上述实例的情况中，分别在不同的室中进行用于沉积第一绝缘膜17a的处理和用于沉积第二绝缘膜17b的处理，但是在这种情况下，适合地使用可以运送(carry)基板而不破坏真空环境气氛的真空系统。真空系统由具有多个彼此相邻设置的溅射室的串联式(in-line)连续溅射系统、具有多个以簇状设置的真空处理室的单晶片真空处理系统等所代表。此外，还可以采用在相同的室内设置多个靶并根据膜沉积处理适当使用这些靶的方法。

在上述方式中，在透明基板14上按次序沉积电极层和由第一和第二绝缘膜17a和17b的层压结构构成的绝缘层17。根据该实施方式的电润湿装置的制造方法，由于可以形成表面平坦性良好的高介电常数绝缘层，所以可以稳定制造具有高可靠性的低压驱动电润湿装置。

尽管迄今为止已经给出关于本发明实施方式的描述，但是本发明绝不限于此，因此基于本发明的技术思想可以进行各种改变。

例如，尽管在以上的实施方式中，已经通过给出包括单透镜元件的电润湿装置作为实例给出描述，但是本发明同样可以应用于具有以阵列设置的多个上述透镜元件的电润湿装置的绝缘层结构。

此外，本发明不仅可以应用于用于可变焦透镜的电润湿装置，并且可以应用于用于诸如光分布控制的其他光学应用的电润湿装置，或用于诸如用于通过利用液体表面张力的变化而定位以及运送工件的台装置(stage unit)的各种致动器的应用。

Claims (6)

1.一种电润湿装置，包括：

导电性的第一液体；

绝缘性的第二液体；

一对基底材料，限定用于在其中容纳所述第一液体和第二液体的液体室；

电极层，形成在所述一对基底材料之一的所述液体室侧的表面上；

绝缘层，形成在所述电极层的表面上；

其中，所述绝缘层具有由绝缘无机结晶材料制成的第一绝缘膜和由绝缘无机非晶材料构成的第二绝缘膜构成的层压结构。

2.根据权利要求1所述的电润湿装置，其中，所述第一和第二绝缘膜分别由在其中包含有彼此相同的金属元素的氧化物制成。

3.根据权利要求1所述的电润湿装置，其中，所述电极层以及所述第一和第二绝缘膜分别由包含有彼此相同的金属元素的透明氧化物构成。

4.一种电润湿装置的制造方法，其中，将导电性的第一液体和绝缘性的第二液体容纳于密封的液体室中且不彼此混合，并且通过绝缘层将电极层设置在所述液体室内表面的一部分上，

其中，通过以下处理形成所述绝缘层：

用于在所述电极层上沉积由绝缘无机结晶材料制成的第一绝缘膜的步骤；以及

用于在所述第一绝缘膜上沉积由绝缘无机非晶材料制成的第二绝缘膜的步骤。

5.根据权利要求4所述的电润湿装置的制造方法，其中，通过在氧气环境气氛中利用溅射方法来进行所述第一和第二绝缘膜的膜沉积。

6.根据权利要求5所述的电润湿装置的制造方法，其中，将Zn金属靶用于所述第一绝缘膜的膜沉积，而将Zn-Al合金靶用于所述第二绝缘膜的膜沉积。

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