CN1735840A - 具有清洁功能的电子发射装置 - Google Patents

Abstract

一种电子发射装置，包括：电子发射部件(1)，它包括下电极(2)、由薄膜构成的上电极(5)、上电极(5)的表面暴露在外部空间和在下电极和上电极之间形成的半导体层(4)、设置成与上电极(5)在外部空间另一侧的对向电极(21)、微粒充电电压控制单元(22)，用于在上电极(5)和下电极(2)之间施加一个对沉积在上电极(5)的表面上的微粒充电的电压、飞行电压控制单元(23)，用于在上电极(5)和对向电极(21)之间施加一个用于发送从上电极(5)飞来的带电微粒的电压，其中微粒充电电压控制单元和于对沉积的微粒充电，而飞行电压控制单元用于发送飞向对向电极(21)的带电微粒。

Description

具有清洁功能的电子发射装置

技术领域

本发明涉及使用包括半导体层的电子发射器发射电子的电子发射装置。更具体地说，本发明涉及能够清除附着在大气压力下工作时为对象充电的电子发射器的表面的微粒的电子发射装置。

根据本发明的电子发射装置可用于采用电子照相术为例如激光打印机或数字复印机之类的装置的光电导体充电的电子发射装置。

背景技术

已知的传统冷阴极电子发射器有斯宾德特(Spindt)型电极、碳纳米管(CNT)电极等。考虑过将这些电子发射器用于场致发射显示器(FED)。这些电子发射器的每一个将一电压施加到尖锐部分以形成一个约1GV/m的强电场，并通过隧道电流发射电子。

作为使电子发射器在空气中工作从而将发射器应用到充电器或静电潜像形成装置的想法的例子，通过使斯宾德特(Spindt)型冷阴极在空气中工作来形成静电潜像、将电子发射到空气中并电离气体分子以产生用作带电粒子的离子的方法已在例如日本专利申请公开号：6-255168中公开。

另外，在日本的Imaging Society的“Japan Hardcopy 97 papers”第221中报告了使碳纳米管在空气中工作的研究结果。这里，提出了将碳纳米管作为电子照相术的充电器或作为形成静电潜像的电子束源的几率。

通常，在电子照相过程中，光电导体的表面被均匀地充电，对应于要形成的图象选择性地使光电导体的表面曝光，使光电导体的曝光部分导电以放电并对应于所述图象在光电导体的表面形成电荷或所谓的静电潜像。其后，光电导体通过具有显影套的显影部分，所述显示套在其表面运载带电的调色剂的同时旋转并相对光电导体的表面设置，从而选择性地将调色剂附着在光电导体的表面上。转移部分将调色剂转移到一片纸上。其后，光电导体通过用光照射光电导体从光电导体去除电荷的电荷清除部分。光电导体还用机械方法清除附着在光电导体的表面上的残留调色剂和纸粒子然后为下次成像再次充电。因此均匀地使光电导体充电的充电器是电子照相过程所必需的。

然而，如上所述这两种电子发射器的每一种都在电子发射部分的表面附近产生强电场。结果，发射的电子通过电场给出强能量并与气体分子碰撞以电离气体分子。

由电离气体分子所产生的正离子在发射器表面方向由强电场加速，相互碰撞并因溅射使发射器击穿。

作为传统的冷阴极电子发射器的另一例子，已知有金属绝缘体金属(MIM)和金属绝缘体半导体(MIS)电子发射器。

这些电子发射器的每一个都是用在发射器中的绝缘薄膜层上产生的强电场(内电场)加速电子并从发射器的平坦的表面发射电子的表面发射器。因为发射在发射器内加速的电子，没有必要在发射器外部产生一个强电场。因此，这些发射器与斯宾德特和CNT型电极不同，没有由气体分子的电离引起的因溅射而发射器击穿的问题。

然而，MIM和MIS冷阴极电子发射器具有以下问题。如果使MIM和MIS冷阴极电子发射器在空气中工作，则诸如灰尘之类的微粒会附着在发射器的表面，而发射器的表面覆盖附着的微粒会屏蔽电子并减少电子发射电流。

作为传统的电子发射器的另一个例子，这些MIS电子发射器的每一个由电场加速注入到多孔硅基片的电子，所述电场利用隧道效应使加速了的电子通过表面金属薄膜并用经过半导体阳极氧化处理产生的多孔半导体(例如：透明硅)的量子化尺寸效应将电子发射到真空空间内。例如在日本专利申请公开号8-250766及“材料研究学会专题讨论会会报”中所公开的。

这些MIS电子发射器中的每一个都发射由类似上述MIM和MIS冷阴极电子发射器的发射器内部的强电场加速的电子。因此不必在发射器的外部产生强电场因而发射器没有由电离气体分子引起的因溅射使发射器被击穿的问题。

另外，可以通过非常简单而廉价的阳极氧化制作法来有利地制造使用多孔硅半导体的阴极电子发射器。

然而，这些传统的阴极电子发射器在空气中工作有下列问题。因为诸如灰尘之类的微粒附着在发射器的表面且附着的微粒屏蔽电子，所以减少了电子发射电流。

通常，通过在发射器内部产生的内电场来加速电子的MIM或MIS冷阴极电子发射器的表面还用作在发射器内部产生电场的上电极。结果，表面由金属薄膜制成使得可以在电子隧道贯穿金属薄膜的同时将由内电场加速的电子发射到外部空间。如果金属薄膜更薄，则加速电子更易隧道贯穿金属薄膜。这可以增加隧穿的几率和发射的电子数。

同时用作产生内电场的上电极和发射加速电子的薄膜电极的金属薄膜的厚度最好为几个纳米至几十纳米(nm)。日本专利公开号：8-250766公开的金属薄膜的厚度为例如15nm。

如果诸如灰尘之类的微粒附着在该上电极(金属薄膜)的表面，它就不能发射电子。因此需要清除附着的灰尘。为了清除灰尘，常使用一种用清洁元件的接触型灰尘清除法来扫除在上电极(金属薄膜)的表面上的灰尘。

然而，使用这种清洁元件的接触型灰尘清除法具有下列问题。如果不仔细地处理金属薄膜，在扫除灰尘时产生的摩擦和压力会损坏，甚至刮去金属薄膜。

作为另一种在使MIM和MIS电子发射器在空气中工作时抗灰尘附着的方法，在例如日本专利申请公开号：2001-313151中揭示了一种使用气体引入装置和微粒过滤器的方法以防止微粒附着在发射器的表面。然而，因为使用气流，这方法具有离子利用效率低和机构复杂的问题。

如上所述，如果用外电场在外部空间内加速电子，传统的电子发射器面临因溅射所引起的发射器击穿的问题。另外，如果用发射器内的内电场加速电子，传统电子发射器又面临因电极的表面的灰尘附着导致的电子发射电流减少的问题。此外，擦拭发射器表面上的金属薄膜电极以清除灰尘的清除法很有可能损坏金属薄膜。因此，如果将这些传统电子发射器中的一个按原样应用于在空气中对其光电导体充电的电子发射装置，例如激光打印机或数字复印机，则会发生上电极本身的溅射和灰尘附着在上电极上的问题。它们不利地造成在很长时间内无法使用电子发射装置。

因此，本发明的目的在于解决电子发射器在大气压力下工作时所引起的灰尘附着的问题。本发明还旨在提供一种能稳定地执行充电和形成静电潜像的电子发射装置，电子发射器清洁装置以及电子发射器清洁方法。

发明内容

实现解决传统问题的根据本发明的电子发射装置包括：电子发射器，它包括下电极、由薄膜制成的上电极和在上电极和下电极之间形成的半导体层，所述上电极的一个表面暴露在外部空间；设置成与上电极在外部空间另一侧的对向电极；微粒充电电压控制部分，用于施加一个用于在半导体层中加速电子，使电子通过上电极并将电子发射到外部空间的电子发射电压，或施加一个用于对附着在上电极和下电极之间的上电极的表面上的微粒充电的电压；和飞行电压(flyingvoltage)控制部分，它在上电极和对向电极之间施加一个允许带电的微粒从上电极的表面飞向对向电极的电压。

根据此结构，微粒充电电压控制部分将电压加在上电极和下电极之间，籍此在半导体层中产生内电场。从而加速电子且加速了的电子利用隧道效应通过由金属薄膜制成的上电极并飞向空间。因此，显示出作为电子发射器的正常功能。

此时，如果呈现附着在上电极的表面的微粒，则电子使所附着的微粒充电。

飞行电压控制部分施加允许带电的微粒在下电极和对向电极之间从上电极的表面飞向对向电极的电压。从而带电的微粒受静电作用被吸向对向电极。

因此，用微粒充电电压控制部分及必要时也作用此特征的飞行电压控制部分给附着的微粒充电来将它们从电极的表面去除，可以以非接触方式来清洁电子发射器的表面上的金属薄膜上的微粒。另外，可以避免在清洁过程中由摩擦和压力所引起的损坏和刮去金属薄膜。

下电极可以采用在其背面形成有欧姆电极(背表面电极)的n型硅基片(在该情况下欧姆电极和n型硅基片用作下电极)，或在玻璃基片上形成的电极。

用于电极的材料最好是金属。然而，只要该材料传导性好，用于电极的材料不限于特定的一种并可以是金属氧化物等。

另外，由薄膜制成的上电极的材料最好是金。另选地，可以使用诸如铝、钨、镍、铂、铬或钛，或诸如ITO之类的金属氧化物。金属薄膜的厚度最好是几到几十纳米，使加速了的电子能利用隧道效应飞出去。

对于在下电极和上电极之间形成的半导体层，需要在半导体层中建立内电场，以在电压施加在下电极和上电极之间加速电子。

该半导体层最好是例如未掺杂的多孔多晶硅半导体层。

将对向电极固定地设置成跨越一个间隔(外部空间)与上电极相对。为了防止对向电极和上电极之间的位置关系改变，用诸如金属板之类的刚性材料构成对向电极。

不总是将对向电极分开设置成电子发射装置专用的电极。如果将电子发射装置用于例如对采用电子照相术的装置的光电导体充电，则如果需要也可以设置在上电极对面的光电导体用作对向电极。

另外，微粒充电电压控制部分和飞行电压控制部分可以用恒定电压电源，可以将各电源的输出电压分别设置成希望的值。

以上述结构，可以在对向电极的表面上形成半导体层或绝缘层。

如果附着在电子发射器上的微粒是绝缘微粒，则因微粒充电电压控制部分工作而带负电的附着微粒被吸向通过使飞行电压控制部分工作而产生的外电场并移至对向电极。在移至对向电极之后，微粒保持在与对向电极上而与对向电极表面的导电性无关。在此情况下，由于微粒保持在其上没有发生问题。

然而，如果附着的微粒是半导电的或导电的而对向电极的表面是导电的，则出现下列缺点。将正电荷注入移至对向电极的带电微粒，且因注入的电荷而带正电的微粒在同一外部电压的作用下再次移向电子发射器的表面。

因此，对向电极的表面可以由半导电或绝缘材料形成，从而可以防止正电荷注入移至对向电极的导电或半导电微粒。因此可以防止微粒再次移向电子发射器的表面。

飞行电压控制部分可以施加一个脉冲电压使对向电极具有相对于上电极的正电位。

根据此结构，通过驱动微粒充电电压控制部分使附着在电子发射器的上电极的表面上的微粒带负电。通过驱动飞行电压控制部分将正电压施加在对向电极上，附着的微粒被静电力吸到对向电极。此时，通过将该脉冲电压施加到对向电极上，产生静电吸引力来冲击带电微粒。结果，带电微粒容易地与表面分离并能有效地去除微粒。

如果将脉冲电压波形重复多次来施加脉冲电压，可以将多个冲击力加至微粒，从而可以更有效地去除微粒。

飞行电压控制部分可以进行控制将具有第一电压值的电压施加到上电极和对向电极之间的外部空间。在微粒充电电压控制部分将预定电压施加到上电极和下电极之间来给附着在上电极的表面上的微粒充电之后，飞行电压控制部分可以进行控制来施加具有电压值比第一电压值高的第二电压，第二电压值的量值允许带电微粒从上电极飞向对向电极而并不出现大气放电，而微粒充电电压控制部分可以进行控制或施加一个具有与电子发射电压的极性相反的极性的电压或不在上电极和下电极之间施加电压，从而允许带电微粒从上电极的表面飞向下电极。

“使微粒从上电极的表面飞向对向电极”的意思是从电子发射器去除附着在上电极的表面的微粒并清除它们。附着在上电极上的微粒包括诸如调色剂和纸屑之类的灰尘。

根据此结构，当驱动电子发射器工作和微粒充电电压控制部分对附着的微粒充电时，一个弱正电极被施加到对向电极和上电极之间的外部空间，从而抑制对向电极带有过多的负电荷。当使附着的微粒飞时，在上电极和下电极之间施加与电子发射电压极性相反的电压或不在它们之间施加电压。从而停止电子发射，设置一个在外部空间几乎不出现大气放电的状态，并将带电微粒与上电极分离。

另选地，可以将飞行电压控制部分配置成能将上电极和对向电极之间所施加的电压的极性设定为正或负。

飞行电压控制部分可以进行控制以施加具有比第一电压值高的第二电压值的电压，第二电压值的量级允许带电微粒从上电极飞向对向电极且不发生大气放电。

微粒充电电压控制部分可以进行控制来或施加一个具有与电子发射电压的极性相反的极性的电压或不在上电极和下电极之间施加电压，从而允许带电微粒从上电极的表面飞向对向电极。

根据此结构，如果附着在电子发射器的表面上的微粒是带负电的绝缘微粒，则通过将正电压加到对向电极上以产生静电吸引力来去除微粒。如果附着在电子发射器的表面上的微粒是带正电的绝缘微粒，则通过将负电压加到对向电极上以产生静电吸引力来去除微粒。如果附着到电子发射器的表面上的微粒是导电微粒并将正电压施加到对向电极上，则微粒通过感应充电而带负电并由静电吸引力去除。如果附着在电子发射器的表面上的微粒是导电微粒并将负电压施加到对向电极上，则微粒通过感应充电而带正电并由静电吸引力去除。如上所述，不论微粒是绝缘微粒或是导电微粒，静电吸引力都有效地作用于具有各种电特征的微粒且微粒从上电极移到对向电极。从而可以去除微粒。

另外，如果对向电极是由半导电或绝缘材制成的，在将微粒移到对向电极之后，可以防止正或负电荷注入移向对向电极的导电或半导电微粒。因此可以防止微粒再次被移动并返回到电子发射器的表面。

在此情况下，希望半导体层是通过将多晶硅部分或全部变成多孔而获得的多孔硅半导体层。

通过使多晶硅薄膜多孔而形成的电子发射器具有改善了的热稳定性，使得电子发射器即使在真空或空气中也能执行稳定的电子发射操作。

另外，从多晶硅晶界发射电子。接着，将附着在金属薄膜的表面上的微粒变成不均匀充电状态，力矩力通过外电场作用于微粒，并可以提高清洁性能。

当电子不从电子发射器发射时，飞行电压控制部分可以将一个电压加到上电极和对向电极之间使电子发射器的上电极的表面为阴性。

根据此结构，施加外电场使得在电子发射器不工作时电子发射器的表面上的上电极为阴性，从而防止很难清除的具有强负电荷的绝缘微粒附着到电子发射器的表面。从而可以确保电子发射器的长使用寿命。

可以将电子发射装置用于激光打印机或数字复印机。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于去除附着到由从上电极的表面发射电子的表面发射型电子发射器的由薄膜制成的上电极的表面上的微粒。这里，电子发射器清洁装置包括：设置成在外部空间另一边与上电极相对的对向电极；微粒充电电压控制部分，用于驱动电子发射器施加一个用于给附着在上电极的表面上的微粒充电的电压；和飞行电压(flying voltage)控制部分，它在上电极和对向电极之间施加一个允许带电的微粒从上电极的表面飞向对向电极的电压。

在此情况下，表面发射型电子发射器可包括：下电极、由薄膜制成的上电极、和在下电极和上电极之间形成的半导体层。微粒充电控制部分可施加一个用于对上电极和下电极之间的微粒充电的电压。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于去除附着到从由金属薄膜制成的上电极的表面发射电子的表面放射型电子发射器的上电极的表面上的微粒的电子发射器清洁方法。这里，电子发射器清洁方法包括以下步骤：将一对向电极设置成在外部空间另一侧与上电极相对；驱动电子发射器对附着在上电极的表面上的微粒充电；在上电极和对向电极之间施加一个允许带电的微粒从上电极的表面飞向对向电极的电压。

附图简要说明

图1示出在根据本发明的一个实施例的电子发射装置中所使用的电子发射器的结构。

图2示出在根据本发明的一个实施例的电子发射装置中所使用的另一电子发射器的结构。

图3示出根据本发明的一个实施例的电子发射装置的结构。

图4说明根据本发明的一个实施例驱动电子发射装置的状态。

图5示出根据本发明的电子发射器的电流—对—电压特性曲线的测量结果。

图6说明在电子照相过程期间光电导体的光电实验。

图7说明计算像力Fi和由外电场产生的静电力Fe之间的关系的结果。

图8示出根据本发明的另一实施例的电子发射装置的结构。

图9说明导电粒子的感应充电。

最佳实施方式

下面将参照附图描述本发明的实施例。首先将描述可应用本发明的电子发射器(主体)的结构，接着将描述电子发射装置的结构或使用此电子放射装置的电子发射器清洁装置。

电子发射器的结构

图1示出可应用本发明的电子发射器的一个实施例的结构。

配置该电子发射器1，使得在具有其上形成有欧姆电极的(背面电极)2a的n型硅基片3上形成多孔多晶硅薄膜4(半导体层)(在此情况下，欧姆电极2a和n型硅基片3用作下电极2)，并使得在多孔多晶硅薄膜4的表面上形成用作上电极5的金电极薄膜。欧姆电极2a和n型硅基片3互连以在其间形成一欧姆接触。

n型硅基片3不仅用作将电子注入用作半导体层的多孔多晶硅层4内的电极，还用作构成本发明的电子发射器的支架部件。

n型硅基片3上的多孔多晶硅层4是通过以下方法制成的。

通过LPCVD(低压化学汽相淀积)在n型硅基片3的表面上形成厚度约为1.5μm的无掺杂的多晶硅层。

将多晶硅层用作阳极并将与多晶硅层分开设置的铂电极作为阴极，在50wt％的氟化氢水溶液和乙醇以1∶1混合的混合溶液中进行恒定电流阳极氧化处理，使多晶硅层的部分或全部成为多孔。

在阳极氧化期间，用500W的钨丝灯发出的光照射多晶硅层的表面。这是为了产生电子-空穴偶并通过用光照射硅基片的表面来加速阳极氧化反应。

最后，多孔多晶硅在约900℃下经受快速热氧化(RTO)处理，从而形成一层氧化膜。

在经过蒸发或溅射处理的多孔多晶硅层4的表面上形成用作上电极5的金电极薄膜，从而形成图1所示结构的电子发射器1。

图2示出可应用本发明的电子发射器的另一实施例的结构。配置该电子放射器11，使得在玻璃基片12的表面上形成下电极13，在下电极13上形成多孔多晶硅层14(半导体层)，并使得在多孔多晶硅层14上形成用作上电极15的金电极薄膜。在此情况下，玻璃基片用作电子发射器的支架部件。

可以使用诸如铝、钨、金、镍、铬或钛之类的金属或诸如ITO之类的金属氧化物作为玻璃基片12上的下电极13的材料。通过蒸发或溅射形成下电极13。

在其上形成了下电极13的玻璃基片12的表面上所形成多孔多晶硅层14是通过类似于图1所示的电子发射器的下述方法制成的。在玻璃基片12的表面上形成厚度约为1.5μm的无掺杂的多晶硅层(随后转变成多孔多晶硅层14)，然后在其上通过LPCVD形成了下电极13。

将多晶硅层用作阳极并将与多晶硅层分开设置的铂电极作为阴极，在50wt％的氟化氢水溶液和乙醇以1∶1混合的混合溶液中进行恒定电流阳极氧化处理，使多晶硅层的部分或全部成为多孔。与图1中所示的实施例类似，在阳极氧化期间，用500W的钨丝灯发出的光照射多晶硅层的表面。

最后，将多晶硅层用作阳极并将铂电极作为阴极，在10％的稀释硫酸中通过施加恒定电流来进行电化氧化处理，从而形成氧化膜。

通过蒸发或溅射在如此处理过的多孔多晶硅层14的表面上形成金电极薄膜15。除了金以外，此电极薄膜的材料可以是诸如铝、钨、镍、铂、铬或钛之类的金属或诸如ITO之类的金属氧化物。

用这种基于ECO的制作方法，处理温度比基于RTO制作方法的低。因此，对可用基片材料的限制得以放宽并可以使用玻璃基片。另外，可以在阳极氧化处理后通过同样的湿处理来氧化多孔多晶硅层14。因此与基于RTO的制作方法相比，该制作方法简化。

电子发射装置的结构

图3示出根据本发明的一个实施例的电子发射装置的结构。具体来说，图3示出使用图1所示的电子发射器1的电子发射装置。

在此实施例中，使用图1所示的电子发射器1。不必说，可以用图2所示的电子发射器11代替电子发射器1。

在此电子发射装置20中，对向电极设置在与上电极相对的外部空间另一侧。上电极5和对向电极21之间的距离约为1mm。某些使用电子发射装置20的装置可以采用将已经设置在该装置上的部件用作对向电极21。例如，如果将电子发射装置20用于对使用电子照相术的激光打印机或数字复印机的光电导体充电，则光电导体要设置在电子发射器对面。因此可以将此光电导体用作对向电极。

用于将直流电(DC)电压Vps施加在欧姆电极2a和上电极5之间的恒定电压电源22和用于将DC电压Vc施加在上电极5和对向电极21之间的恒定电压电源23分别与各自的电极连接。

在多孔多晶硅层4内产生一内电场的恒定电压电源22可以施加从几到几十伏特的电压作为Vps。将附着在上电极5上的带电粒子发射到对向电极21的恒定电压电源23可以施加从几十到几百伏特的电压作为Vc。将恒定电压电源23配置成具有可变电压极性，使得可以根据附着的粒子的属性(不论粒子是带正电还是带负电)来切换极性。

另选地，从其它观点来看，可以将此电子放射装置20的结构认作具有加到电子放射器1上的清洁装置的电子发射器清洁装置。

下面将说明根据本发明的电子发射装置的操作。为了说明根据本发明的电子发射装置的操作，将依次说明该电子发射器的基本操作特征，使用发射器时的灰尘附着现象及附着灰尘的清洁操作。

电子发射器的基本操作特征

图4说明驱动上述电子发射器1的状态。图5示出电子发射器1的电流-对-电压特性曲线的测量结果。如图4所示，对向电极(集电极)21被设置在与电子发射器1的上电极5相对的位置。上电极5(用作阳极)和欧姆电极(用作阴极)之间施加了DC电压Vps。对向电极(集电极)21和上电极5之间施加了100V的DC电压Vc。从而驱动电子发射器1。

图5示出当上电极5和集电极21之间的距离为1mm时，在上电极5和下电极2之间传送的二极管电流Ips和由从上电极5发射的电子和呈现在空气中的负离子传送到对向电极21的发射电极Ie的测量结果。

在图5中，水平轴表示施加到电子发射器上的DC电压Vps的值，而垂直轴表示对数标度的电流密度的值。在图示的电流中，符号◆表示二极管电流Ips而□表示电子发射电流Ie。

根据图5所示的电子发射实验的结果，当施加到发射器的电压Vps为21V时即使在空气中也观察4.5μA/cm²的发射的电子电流量。这些电流的大部分被认为是来自由多孔多晶硅层4加速的电子，在隧穿上电极5时被发射，附着在空气中的气体分子上并以负离子状态被传送到对向电极21上。

4.5μA/cm²的电流量是可用于对例如采用电子照相术的激光打印机或数字复印机之类的光电导体充电的电流量。在该种充电设备的结构中，用图4中的光电导体代替对向电极(集电极)21。

然而，如果用上述的充电设备对采用电子照相术的装置的光电导体充电，诸如约7μm的绝缘粒子的调色剂和导电纸粒子之类的灰尘附着在上电极5上。

作为在呈现有诸如调色剂之类的灰尘的空气中进行电子发射实验的结果，已证实发射电流Ie实际上与上电极5附着灰尘的面积的比基本上成比例地减少。

这表示有必要用各种方法去除上电极5上的灰尘，以不减少地持续将发射电流Ie保持在初值。

同时，将用于形成根据本发明的电子发射器的上电极5的金属薄膜配置成具有几到几十纳米的非常小的厚度使之能有效地发射在电子发射器1内产生的电子。因此，如果用接触型清洁部件擦除诸如灰尘之类的附着在上电极5上的微粒，则在擦除灰尘时施加的摩擦力和压力可能会损坏或刮去构成上电极5的金属薄膜。

灰尘附着

图6示意地示出在实际光电过程中用电子发射器1进行光电导体充电实验的状态。下面将对灰尘污染的结果等进行描述。

电子发射器1在形状上与图1所示相等并由下电极2(欧姆电极2a和n型硅基片3)、多孔多晶硅薄膜4(半导体层)和上电极(金属薄膜)5构成。

在用于对采用电子照相术的装置的光电导体充电的电子发射装置中，将由电极基片42(导电材料)和光敏薄膜43(在暗处具有高电阻的材料)所配置的光电导体41设置在与电子发射器1的上电极5相对的位置。下文将位于上电极5和光电导体41之间的空间(外部空间)称为“带电空间”。

电子发射器1的上电极5和光电导体41之间的距离为lmm，施加在光电导体41的上电极5和电极基片42之间的DC电压(集电极电压)Vc为800V，而施加在上电极5和欧姆电极2a之间的DC电压(发射器施加的电压)Vps为20V。在这些情况下，对光电导体41充电。

当完成此充电操作时，在上电极5和光电导体41之间的带电空间产生强电场，并且隧穿上电极5时发射的电子有效地传送到光电导体41。因为是在空气中进行电子发射，认为大部分发射的电子附着在空气中的气体分子上并作为负离子传送。

当重复进行该充电实验后，很清楚灰尘是在进行充电操作时附着在电子发射器1的上电极5上的。作为附着灰尘的分析结果，它们主要由调色剂和纸粒子组成。在显影部分调色剂具有约-10至-15μc/g的平均荷质比并带负电。然而，该值只是平均值，且出呈现带正电的调色剂和不带电的调色剂，虽然其呈现的几率非常低。另外，在电子照相过程中，显影等部分中的静电力将调色剂限制在显影套和光电导体上。然而，因为该静电力弱，具有低荷质比的调色剂和不带电的调色剂会被输送且它们中的一些(虽然仅仅轻微地)浮在带电部分和用于执行电子照相过程的其它部分上。

因此认为在充电操作期间进入带电空间的微带正电的漂浮调色剂被带电空间内的呈现的强电场吸引并附着在上电极5上。对纸粒子也是这样。认为在充电操作期间进入带电空间的微带正电的漂浮纸粒子被带电空间内的呈现的强电场吸引并附着在上电极5上。

随着时间的过去从前附着在电子发射器1的上电极5上的灰尘(漂浮的调色剂和纸粒子)失去它们的电荷。纸的表面电阻率对湿度非常敏感。因为纸的表面电阻率通常在10⁹至10¹³Ω的范围内，这种灰尘较快的失去它们的电荷。在纸粒子感应充电实验中已证实纸粒子大约在一秒内失去它们的电荷，虽然这个时间只是参考值。因为调色剂的电阻比纸粒子的高(绝缘性)，调色剂失去电荷花的时间更长。

如上所述，因为电荷量本来就小并且随着时间的过去灰尘失去它们的电荷，所以附着在上电极5上的灰尘的电荷量小。

清洁的原理

下面将参照附图说明用于清除附着在电子发射器1的上电极5上的灰尘的清洁操作的原理。

将电压Vc施加在电子发射器1的上电极5和对向电极21之间。

下面将说明灰尘的电量qt和作为一种粘附力的像力Fi之间的关系。像力Fi是在吸引方向上作用于上电极5上的力，据了解它是在带电微粒附着在电极的表面时由集中在电极表面并相互吸引的相反极性的两种电荷产生的。如果微粒是球形的，则像力Fi表示如下：

$\mathrm{Fi}=\frac{{\mathrm{qt}}^2}{4\mathrm{\π\ϵ}\·{\left(2\mathrm{rt}\right)}^2}---\left(1\right)$

这里，ε表示介电常数而rt表示微粒的半径。

从公式(1)中很明显地看出，像力Fi与微粒的电荷量qt的平方成比例。

另外，如果将电压V施加到与上电极5隔开一定距离设置的对向电极21上，作为在剥离微粒方向上的静电力Fe表示如下：

Fe＝qt·E    (2)

这里，E表示在上电极5和对向电极21之间产生的电场，且计算成“E＝V/d＝Vc/d”。从公式(2)中很明显地看出，静电力Fe与微粒的电荷量qt的一次方成比例。

图7示出当假设微粒的直径(2rt)为8μm而外电场的强度E为10⁶V/m时，像力Fi和由外电场产生的静电力Fe之间的关系的计算结果。

根据此计算结果，在电荷量qt小(例如：qt≤7fc[fc：毫微微-库仑](7×10^-15))的区域内，外电场的静电力Fe超过像力Fi。这表示可以通过外电场来清除灰尘。

然而，实际上除了电荷量qt的像力之外，已知为两个分子之间的吸引力的范德瓦尔斯力也作为于微粒。因此，如果电荷量qt太少，外电场剥去微粒的静电力Fe的绝对值小并降到范德瓦尔斯力之下。结果就不能清除灰尘。

另一方面，在电荷量qt大的区域内，外电场的静电力Fe低于像力Fi。这表示很难或不可能通过外电场来清除灰尘。然而，如果外电场强度E为i，则外电场产生的静电力Fe增加且图7中表示静电力Fe的线向上移。因此，满足“Fe＞Fi”，即，拓宽了可清洁的区域。

如果微粒的电荷极性为正，则外电场产生的静电力与像力Fi的方向相同并作用于上电极5的方向。因此不能清除灰尘。在此情况下，通过将微粒的电荷极性设定为负或将外电场的极性方向设定到相反方向，才可以清除灰尘。

第一实施例

通过示例，假设直径为8μm的绝缘微粒调色剂附着在上电极5上。如果调色剂的荷质比(每单位质量的电荷量)为-10μC/g的普通值且调色剂的比重为1g/cm³，则一粒调色剂的电荷量为-2.68×10^-15C。

如果将该调色剂的电荷量qt赋值给公式(1)，则像力Fi为1.0nN。另外，如果外电场强度为10⁶V/m，则外电场产生的静电力Fe为2.7nN。

在此例中，满足“Fi＜Fe”，即，外电场剥去微粒的力大于用于由像力将微粒附着在上电极5上的力。因此，可以清除在上电极5上的微粒。

在上述电子照相过程中，为了进行光电导体充电实验，将100V的DC电压(集电极电压)施加到灰尘所附着的电子发射器的上电极5和对向电极21之间(d以1mm的间距)。

此时，在上电极5和对向电极21之间的空间产生一个10⁵V/m的电场，使带有弱负电的灰尘被吸向对向电极31并从电子发射器1上清除。

接着，如果将20V的DC电压施加到发射器1的上电极5和欧姆电极2a之间，则电子发射器1开始发射电子。另外，呈现在上电极5上的微粒32由于发射出的电子或由将电子附着在气体分子所产生的负离子而带负电。如上所述，认为附着在上电极上的带电微粒32的初始电荷极性几乎为正。然而，无论该初始电荷的极性如何，微粒32逐渐带负电。

当微粒32的负电荷增加了，等式(2)中的电荷量qt增加了而外电场产生的静电力Fe相应增加了(见图7)。当静电力Fe的量值超过范德瓦尔斯力Fv时，微粒32被吸向对向电极31并从电子发射器1清除。

即，通过驱动电子发射器1，使微粒32带负电并通过由对向电极31产生的电场力设置一个满足“Fv＜Fi＜Fe”或“Fi＜Fv＜Fe”的状态，微粒32被清除。

如果微粒显示出非常高的范德瓦尔斯力Fv且带有越来越多的负电而不清除微粒32，此时像力Fi增加。如果在增加电荷量qt的过程中不呈现“Fi＜Fv＜Fe”的状态且变成“Fe＜Fi＜Fv”的状态，不再能清除此微粒。

考虑到此，对于具有高范德瓦尔斯力Fv的微粒，可以增加外电场强度E。这是因为，通过将作为粘附力的像力Fi设定成不变，通过增加外电场强度E增加了作为清除力的静电力Fe。即，通过增加外电场强度E，可以将“Fi＜Fe＜Fv”或“Fe＜Fi＜Fv”状态变成其中只有静电力Fe增加的状态。通过如此设置“Fi＜Fv＜Fe”状态，可以从电子发射器1清除微粒。相反，如果外电场强度E设置得非常高，则发生为空气的介质击穿的大气放电，结果很可能击穿电子发射器1。

因此最好将在上电极5和对向电极21之间产生的空间电场强度E控制成等于或小于3MV/m以避免放电现象。

由介质击穿引起的放电现象是电子雪崩(以雪崩的方式的累积的倍增的电子和离子)现象。进行了电子发射操作时，电子和负离子的数量增加。因此，即使在通常不发生放电现象的电场强度下，也可能发生放电现象。即，在比通常能避免放电现象的电场强度(3MV/m)低得多的电场强度下，放电现象开始。

为了满足该有关电场强度的矛盾要求，即，为了满足增加电场强度以有效地清除微粒的要求和减小电场强度以避免放电现象的要求，进行下列控制。

当驱动电子发射器1使附着在上电极5上的微粒带负电时，使外部空间的电场强度最小化。另一方面，当用静电力将微粒向对向电极21清除时，电子发射器1不发射电子并将外部空间的电场强度设定得尽可能高。按这样的时间节奏将电压施加到电子发射器1和对向电极21上，就避免了放电现象和电子发射器的击穿。

另外，通过在上电极5和对向电极21之间施加一脉冲电压(开或关电压Vc)，电场强度以脉冲的方式变化从而在带电粒子在产生一个冲击力。因此可以更有效地从电子发射器1清除微粒。

另外，因为由介质击穿引起的放电现象是电子雪崩(以雪崩的方式累积的倍增的电子和离子)现象，需要一些时间来产生该现象。如果将施加的电压的脉冲宽度设定成小于雪崩所需的时间，则可以避免放电现象和电子发射器的击穿。

第二实施例

图8示出根据本发明的另一实施例的电子发射装置的结构。在此实施例中，将对导电微粒32附着在电子发射器1的上电极5上的例子进行描述。

此实施例中的电子发射装置的结构与原配置的相当，即把供电子照相过程用的电子发射器与光电导体设置成相对的就如参照图6描述过的那样。

即，电子发射器1的形状与图1中所示的相同且由下电极2(欧姆电极2a和n型硅基片3)、多孔多晶硅薄膜4(半导体层)和上电极(金属薄膜)5构成。

将对向电极51设置在与电子发射器1的上电极5相对的位置上，并在上电极5和对向电极51之间施加DC电压(集电极电压)Vc。该对向电极51是由金属电极52和绝缘层53构成的。

如果对向电极51仅由图3中所示的金属电极构成且离开电子发射器1的上电极5的导电微粒32附着在对向电极51上，感应充电将正电荷注入微粒32。结果，发生微粒32被吸向阴极并再次返回上电极5的不希望的现象。

下面将参照图9更详细地说明此现象。如果在上电极5和对向电极31之间施加DC电压Vc，则通过感应充电现象将负电荷注入附着在上电极5上的导电微粒32。由该感应充电注入的最大电荷量由以下等式(3)表示。

Qmax＝1.654·ε·rt²·E    (3)

通过示例，假设直径为8μm的导电微粒附着在上电极5上且电场强度E为1MV/m。如果将这些值赋值给等式(3)，则这些导电微粒32中的每一个通过感应充电获得的最大电荷量为″-2.9×10^-15C″。

使导电微粒32剥离而飞向对向电极31的静电力Fe作用在经受在上电极5和对向电极31之间产生的空间电场E的感应充电而带负电的导电微粒32上。如果该静电力Fe超过作为粘附力的像力Fi或范德瓦尔斯力Fv，则导电微粒32飞向对向电极31且电子发射器1被清洁。

然后通过感应充电现象正电荷被注入到附着在对向电极31上的导电微粒32。结果，附着在对向电极31上的导电微粒32带正电，导电微粒32受上电极与对向电极31之间生成的空间电场E所施加的静电力的作用使该导电微粒32剥离并飞向上电极5。

如果满足该静电力超过作为将微粒附着到对向电极31上的粘附力的像力Fi或范德瓦尔斯力的条件。导电微粒32飞向上电极5并再次返回至上电极5。

结果，导电微粒32在上电极5和对向电极31之间往复。该往复时间是由将电荷注入到微粒32中的时间，即由微粒32的电阻决定的。然而，实际上具有各种电阻的微粒32附着在上电极5上。因此很难控制切断电压Vc的时序，将微粒32吸向对向电极5并清洁电子发射器1。

如图8中所示，相反，如果用绝缘层覆盖对向电极31的表面，则可以防止通过感应充电注入来自上电极5的正电荷，因此，可以防止微粒32返回到电子发射器1。

如果将电子发射器1用于为用于电子照相过程的光电导体充电，则该光电导体在黑暗中显示绝缘特性，因此对向电极31具有金属电极和绝缘层的双层结构。因此，可以防止微粒32返回到电子发射器1并清洁电子发射器1。

如果附着在上电极5上的绝缘微粒是与第一实施例中的调色剂粒子相似的粒子，则需要驱动电子发射器1使微粒带负电，将正电压到对向电极51并通过静电力Fe清洁电子发射器1。如果附着的微粒如本实施例所述是导电的，则可以通过感应充电将电荷注入微粒中。因此，并不总是需要驱动电子发射器1。

如果导电微粒如本实施例所述被清除，施加到对向电极1上的电压可以是正电压或负电压。即，如果将正电压施加到对向电极51，则负电荷被注入导电微粒且导电微粒被静电力Fe吸向阳性对向电极51。如果将负电压施加到对向电极51，则正电荷被注入导电微粒且导电微粒被静电力Fe吸向阴性对向电极51。然而注意到需要在对向电极51上提供绝缘层53以防止移向对向电极51的导电微粒32返回电子发射器1。

如果对向电极51的表面是由半导电或绝缘材料形成的，就可以防止导电微粒在对向电极51上受到感应充电而返回到电子发射器1。然而，如果驱动电子发射器1工作，则对向电极51被充负电。结果，外部空间的电场强度减小，这样就不能清除附着在上电极5的表面上的绝缘或导电微粒。为了尽可能地缓和这一不利的现象，如下控制电压Vps和Vc。

当驱动电子发射器1(施加了20V的电压Vps)以对附着在上电极5的表面上的微粒充电时，不将强正电位施加至对向电极51(Vc＝100V)，从而尽可能防止使对向电极5带负电。

当清除了附着在上电极5的表面上的微粒时，将强正电压施加至对向电极51(Vc＝1000V)以防止电子发射器1继续工作，从而防止使对向电极5的表面带负电。作为在该时刻控制驱电子发射器1的驱动和控制外部空间中的电场，结果，就可能施加所需的电场强度去除绝缘或导电微粒从而有效地去除微粒是可能的。

如上所述，通过驱动电子发射器1工作，可以使微粒带负电。因此，对带强正电、弱正电、不带电或弱负电的微粒都可以满足关系“Fi＜Fe”，从而可以去除微粒。然而，如果将带非常强的负电的微粒附着在上电极5上，则如图7所示像力Fi超过清除用的静电力Fe，因而静电力不能去除微粒。

在电子照相过程过程中，带弱正电、不带正电或弱负电的微粒的浮动比(floating rate)为高。另外，因在充电操作中受DC电压Vc在外部空间所产生的电场作用而带正电的微粒附着在上电极5上的几率高。

在不充电操作中，外部空间中的电场被去除，使带强负电的绝缘微粒出现和可以附着在上电极5上的几率小。

因此，即使在切断电压Vps的不充电操作中，也施加和设定低电压Vc使上电极5用作阴极。因此可以防止带强负电的绝缘微粒附着到上电极5上并延长电子发射器1的使用寿命。因为在施加低DC电压时不传送电流，几乎不发生功率损耗。

到现在为止说明了使用多孔多晶硅层的电子发射装置。然而，本发明不限于使用多孔多晶硅层作电子加速层的电子发射装置，也可以用于诸如MIM或MIS电子发射器之类的表面发射型电子发射器。

如实施例中所述，本发明的电子发射器也可以用于使用(n型)硅基片的例子和用于使用玻璃基片的例子。因此，可以根据装置的目的和要使用的基片的下列优点和缺点来确定基片的类型。

如果使用(n型)硅基片，硅基片的光滑性和材料亲合力比玻璃基片优越，并可以容易地在基片上形成半导体薄膜。另外，硅基片具有优良的耐热性，可以进行诸如热氧化之类的各种热处理。然而，材料的成本较高，因此很难将硅基片用于大型基片。

如果使用玻璃基片，材料成本比硅基片低且玻璃基片比硅基片更易于使用于大型基片。然而，玻璃基片的耐热性比硅基片差，因此限制进行诸如热氧化之类的各种热处理。

根据本发明的电子发射装置可以用非接触的方式清除在电子发射器的上电极的表面上的金属薄膜上的微粒。因此与实行接触清洁的装置相比，可以解决由摩擦力或压力引起的损坏或刮去金属薄膜的问题。

另外，通过控制施加电压在对附着在电子发射器上的微粒充电的操作以及在使微粒飞行的操作之间变化，可以避免由放电引起的空气中的介质击穿(当装置在空气中工作时发生所述击穿)，并避免因放电而击穿电子发射器。将充电电场强度设定成等于或小于3MV/m，尤其能有效地防止放电。

另外，通过控制为了将附着在电子发射器上的微粒与电子发射器分开所施加的电压作为脉冲电压，可以有效地去除附着的微粒。

通过用半导电或绝缘材料构成对向电极的表面，可以防止将正电荷注入移向对向电极的导电或半导电微粒。因此可以防止一度从电子发射器的表面吸引向对向电极的微粒再次移向电子发射器的表面。

如果对向电极的表面由半导电或绝缘材料制成，当电子发射器工作时不在上电极和对向电极之间施加高电压。如果将高正电压施加到对向电极以使附着在发射器表面上的带电微粒飞向阳极方，则不驱动电子发射器工作。因此可以防止对对向电极充电。从而，可以防止上电极与对向电极之间的电场减小并防止微粒去除效果减弱。

通过使得可以任意设定上电极与对向电极之间的电压的极性，无论微粒的电荷极性如何(不论微粒带正电还是带负电)都可以从电子发射器去除微粒。

采用将通过使部分多晶硅层多孔所获得的多孔硅半导体层用作半导体层，改善了电子发射器的热稳定性并可以确保稳定的电子发射操作。

另外，即使在将要施加在上电极和下电极之间的DC电压Vps切断的不充电操作中，通过施加电压使电子发射器的表面上的上电极相对于对向电极为负，可以防止很难清除的带强负电的绝缘微粒附着在电子发射器的表面。因此可以确保电子发射器的长使用寿命。

Claims (9)

1.一种电子发射装置，其特征在于，包括：

电子发射器，它包括下电极、由薄膜制成的上电极和在上电极和下电极之间形成的半导体层，所述上电极的一个表面暴露在外部空间；

设置成在外部空间另一侧与上电极相对的对向电极；

微粒充电电压控制部分，用于施加一个用于在半导体层中加速电子，使电子通过上电极并将电子发射到外部空间的电子发射电压，或施加一个用于对附着在上电极和下电极之间的上电极的表面上的微粒充电的电压；和

飞行电压(flying voltage)控制部分，它在上电极和对向电极之间施加一个允许带电的微粒从上电极的表面飞向对向电极的电压，由此提供具有清洁功能的电子发射装置。

2.如权利要求1所述的电子发射装置，其特征在于，所述半导体层是其中部分或全部多晶硅为多孔的多孔硅半导体层。

3.如权利要求1所述的电子发射装置，其特征在于，所述对向电极的表面上形成有半导电层或绝缘层。

4.如权利要求1所述的电子发射装置，其特征在于，所述飞行电压控制部分施加一个脉冲电压使对向电极相对上电极具有正电位。

5.如权利要求1所述的电子放射装置，其特征在于，所述飞行电压控制部分进行控制将具有第一电压值的电压施加到上电极和对向电极之间的外部空间，和

在微粒充电电压控制部分将预定电压施加到上电极和下电极之间来给附着在上电极的表面上的微粒充电之后，飞行电压控制部分可以进行控制来施加具有比第一电压值高的第二电压值的电压，第二电压值的量值允许带电微粒从上电极飞向对向电极并不出现大气放电，和

微粒充电电压控制部分可以进行控制或施加一个具有与电子发射电压的极性相反的极性的电压或不在上电极和下电极之间施加电压，从而允许带电微粒从上电极的表面飞向下电极的表面。

6.如权利要求1所述的电子发射装置，其特征在于，

所述飞行电压控制部分配置成能将上电极和对向电极之间所施加的电压的极性设定为正或负，

所述飞行电压控制部分可以进行控制以施加具有比第一电压值高的第二电压值的电压，第二电压值的量值允许带电微粒从上电极飞向对向电极且不发生大气放电，和

所述微粒充电电压控制部分可以进行控制来或施加一个具有与电子发射电压的极性相反的极性的电压或不在上电极和下电极之间施加电压，从而允许带电微粒从上电极的表面飞向对向电极。

7.如权利要求1所述的电子放射装置，其特征在于，当不从电子发射器发射电子时，所述飞行电压控制部分在上电极和对向电极之间施加一个电压使电子发射器的上电极的表面为负。

8.根据权利要求1-7中任一所述的电子发射装置，其特征在于，供激光打印机或数字复印机使用。

9.根据权利要求1-8中任一所述的电子发射装置，其特征在于，所述微粒包括诸如调色剂和纸粒子之类的微粒。

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