用于控制光调制器的像素电路的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本专利申请案主张2012年8月9日申请的题为"用于控制显示设备的电路 (CIRCUITS FOR CONTROLLING DISPLAY APPARATUS)"的第 13/571，215 号美国实用申请案的 优先权，且转让给本受让人及因此以引用的方式明确并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及机电系统（EMS)的领域。具体来说，本发明涉及用于控制显示设备的 EMS显示元件的阵列以产生显示图像的电路。
【背景技术】
[0004] 各种显示设备包含具有发射或反射光以形成图像的对应光调制器的显示像素的 阵列。光调制器包含用于在第一状态与第二相对状态之间驱动光调制器的致动器。在某些 显示设备中，需要增加光调制器的速度及可靠性。通过电路集合控制的光调制器被称为控 制矩阵。
【发明内容】
[0005] 本发明的系统、方法及装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责 本文所揭示的所需要的属性。
[0006] 本发明中描述的标的物的一个新颖方面可实施在一种设备中，所述设备包含布置 成阵列的多个显示元件及耦合到所述多个EMS显示元件以传达数据及驱动电压到所述显 示元件的控制矩阵。对于每一显示元件，控制矩阵包含将电压源耦合到显示元件的致动电 路。所述控制矩阵经配置以贯穿显示元件的致动器的致动冲程中施加致动电压到所述致动 器，及在起始所述致动电压到所述致动器的所述施加的预充电信号已去激活之后起始所述 致动器的致动。
[0007] 在一些实施方案中，致动电路耦合到全局更新互连件，及致动电路经配置以响应 于全局更新互连件的激活而选择性地移除施加到致动器的致动电压。在一些实施方案中， 致动电路包含耦合到全局更新互连件的致动放电晶体管，及所述致动电压是通过经由致动 放电晶体管放电而被移除。在一些实施方案中，致动电路包含源极跟随器电路。
[0008] 在一些实施方案中，致动放电晶体管是基于存储在数据存储装置处的数据电压而 选择性地致动。在一些实施方案中，所述致动电路由预充电节点上的预充电信号控管。预 充电节点耦合到激活预充电信号的预充电电压源。在一些实施方案中，用于所述显示元件 的预充电节点上的预充电电压由预充电信号电压源及预充电放电开关来控制，所述预充电 放电开关维持所述预充电信号电压源所提供的预充电节点上的电压直到预充电放电开关 被激活为止。
[0009] 在一些实施方案中，控制矩阵还包含第二致动电路，其将电压源耦合到显示元件 及经配置以贯穿显示元件的第二致动器的第二致动冲程中在不同于第一致动冲程的方向 上施加致动电压到所述致动器。在一些此类实施方案中，控制矩阵经配置以在起始致动电 压到第二致动器的施加的第二预充电信号已去激活之后起始第二致动器的致动。在一些实 施方案中，控制矩阵经配置以通过在激活全局更新互连件及第二全局更新互连件中的一者 之前激活全局更新互连件及第二全局更新互连件中的另一者来致动致动器及第二致动器 中的一者。
[0010] 在一些实施方案中，第二致动电路耦合到第二全局更新互连件。第二致动电路经 配置以响应于第二全局更新互连件的激活而选择性地移除施加到第二致动器的致动电压。 在一些实施方案中，致动电路包含耦合到第二全局更新互连件的致动放电晶体管，及所述 致动电压是通过经由致动放电晶体管放电而被移除。在一些实施方案中，第二致动放电晶 体管是基于致动放电晶体管的输出而选择性地致动。
[0011] 在一些实施方案中，控制矩阵仅包含η型晶体管。在一些实施方案中，控制矩阵仅 包含P型晶体管。在一些实施方案中，所述设备包含显示设备，及所述显示元件为光调制 器。在一些实施方案中，显示元件为机电系统（EMS)显示元件。在一些实施方案中，显示元 件为微机电系统（MEMS)显示元件。
[0012] 在一些实施方案中，所述设备包含显示器。所述设备还包含经配置以与显示器通 信及经配置以处理图像数据的处理器。所述设备还包含经配置以与处理器通信的存储器装 置。在一些实施方案中，所述设备还包含经配置以发送至少一个信号到显示器的驱动电路。 在一些此类实施方案中，控制器经进一步配置以发送图像数据的至少一部分到驱动电路。 在一些实施方案中，所述设备包含经配置以将图像数据发送到处理器的图像源模块。在一 些此类实施方案中，图像源模块包含接收器、收发器及发射器中的至少一者。在一些实施方 案中，所述设备包含经配置以接收输入数据且将所述输入数据传达到处理器的输入装置。
[0013] 本发明中描述的标的物的另一新颖方面可实施在一种显示设备中，所述显示设备 所述布置成阵列的多个显示元件及耦合到所述多个显示元件以传达数据及驱动电压到显 示元件的控制矩阵。对于每一显示元件，控制矩阵包含第一致动电路，其将电压源耦合到显 示元件及经配置以贯穿显示元件的第一致动器的致动冲程中施加致动电压到所述第一致 动器。所述控制矩阵还包含第二致动电路，其将电压源耦合到显示元件及经配置以贯穿显 示元件的第二致动器的致动冲程中施加致动电压到所述第二致动器。所述控制矩阵经配置 以在起始所述致动电压到所述第一致动器及所述第二致动器的所述施加的预充电信号已 去激活之后起始所述第一致动器及所述第二致动器中的一者的所述致动。
[0014] 在一些实施方案中，第一致动电路耦合到第一全局更新互连件，及第一致动电路 经配置以响应于第一全局更新互连件的去激活而选择性地移除施加到第一致动器的致动 电压。在一些此类实施方案中，第二致动电路耦合到第二全局更新互连件，及第二致动电路 经配置以响应于第二全局更新互连件的去激活而选择性地移除施加到第一致动器的致动 电压。
[0015] 在一些实施方案中，控制矩阵经配置以在第一全局更新互连件及第二全局更新互 连件中的一者的去激活之前响应于第一全局更新互连件及第二全局更新互连件中的另一 者的去激活而致动第一致动器及第二致动器中的一者。在一些实施方案中，控制矩阵经配 置以基于存储在数据存储装置处的数据电压而致动第一致动器及第二致动器中的一者。在 一些实施方案中，第一致动器电路及第二致动器电路由预充电节点上的预充电信号控管， 预充电节点耦合到激活预充电信号的预充电电压源。
[0016] 在一些实施方案中，控制矩阵仅包含η型晶体管。在一些实施方案中，控制矩阵仅 包含P型晶体管。在一些实施方案中，所述设备包含显示设备，及所述显示元件为光调制 器。在一些实施方案中，显示元件为机电系统（EMS)显示元件。在一些实施方案中，显示元 件为微机电系统（MEMS)显示元件。
[0017] 在附图及以下描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。 尽管本
【发明内容】
中提供的实例主要就基于EMS的显示器、基于MEMS的显示器来描述，但本 文提供的概念可适用于其它类型的显示器（例如LCD、OLED电泳及场致发射显示器）以及 适用于其它非显示EMS装置或MEMS装置（例如MEMS麦克风、传感器及光学开关）。其它特 征、方面及优点将从描述、图式及权利要求书变得显而易见。应注意，以下各图的相对尺寸 可能未按比例绘制。
【附图说明】
[0018] 图IA展示直观式基于MEMS的显示设备的实例示意图。
[0019] 图IB展示主机装置的实例框图。
[0020] 图2A展示说明性基于快门的光调制器的实例透视图。
[0021] 图2B展示基于卷动致动器快门的光调制器的横截面图。
[0022] 图2C展示说明性基于非快门的微机电系统（MEMS)光调制器的横截面图。
[0023] 图2D展示基于电润湿的光调制阵列的横截面图。
[0024] 图3A展示控制矩阵的实例示意图。
[0025] 图3B展示连接到图3A的控制矩阵的基于快门的光调制器的阵列的透视图。
[0026] 图4A及4B展示双致动器快门组合件的实例视图。
[0027] 图5展示实例控制矩阵的一部分。
[0028] 图6展示实例帧寻址及像素致动方法的流程图。
[0029] 图7展示施加到控制矩阵的各种互连件的实例电压的时序图。
[0030] 图8展示另一实例控制矩阵的一部分。
[0031] 图9展示施加到控制矩阵的各种互连件的实例电压的时序图。
[0032] 图IOA及IOB是说明包含多个显示元件的显示装置的系统框图。
[0033] 各个图式中的相同参考标号及名称指示相同元件。
【具体实施方式】
[0034] 本发明涉及用于控制显示设备的显示元件的阵列以在显示器上产生图像的电路。 在一些实施方案中，显示元件可为机电系统（EMS)显示元件或微机电系统（MEMS)显示元 件。在一些实施方案中，显示元件可为光调制器。在一些实施方案中，每一显示元件（例如 光调制器）对应于显示像素。某些显示设备包含光调制器，其包含用于驱动光调制器进入 第一状态（例如接通（ON)状态）（在所述状态中光调制器发射光）及第二状态（例如断开 (OFF)状态）（在所述状态中光调制器不输出任何光）的一或多个致动器。上文描述的用以 驱动致动器的电路经布置成控制矩阵。控制矩阵将阵列的每一像素寻址到对应于用于对应 光调制器的接通状态的接通状态或对应于用于任何给定图像帧的对应光调制器的断开状 态的断开状态中的任一者。为了在减少功率消耗的情况下增加光调制器的速度，用电压源 而非在"预充电"节点上的所存储电荷来静电地致动光调制器是有益的。如此操作已证明 难以具有无驻流（除了装置漏电流之外）的仅一种晶体管（例如，仅P-MOS或N-MOS)的像 素。
[0035] 在一些实施方案中，当光调制器啮合致动器时，所述光调制器抵靠着弹簧而工作， 所述弹簧在光调制器啮合时产生较多反作用力。另外，致动器及光调制器周围的流体由于 从致动器的相对部分之间压出来的流体的挤压膜阻尼而阻碍光调制器朝向致动器移动。此 往往减慢光调制器转变时间且降低显示器的效率及视觉质量。提供在致动冲程中增加的致 动力可有助于抵抗增加的弹簧力及挤压膜阻尼效应。如本文所使用的术语"致动冲程"指 在致动期间光调制组件行进的距离。
[0036] 为解决对增加致动力的此期望，致动器可主动耦合到电压源以贯穿致动冲程维持 跨越致动器的实质上恒定电压，甚至在致动器的电容增加时。此类配置产生达快门与致动 器的啮合的距离的反平方的力的增加，因此有助于克服弹簧及挤压膜阻尼的阻滞力。
[0037] 为了维持主动耦合，显示设备包含控制矩阵，所述控制矩阵对于每一像素包含将 电压源耦合到像素的开关。所述开关经配置以贯穿致动器的致动冲程而将电压源输出的致 动电压施加到像素的致动器。在一些实施方案中，所述开关可为由施加到预充电节点且接 着存储在其上的预充电电压管控的源极跟随器晶体管。预充电节点上的电压由预充电互连 件及放电开关上的预充电电压控制。控制矩阵还包含用于每一像素的数据存储器。放电开 关维持预充电电压互连件所提供的在预充电节点上的电压直到放电开关响应于存储在数 据存储器上的数据电压而激活为止。
[0038] 可实施本发明中所描述的标的物的特定实施方案以实现以下潜在优点中的一或 多者。通过维持致动器与电压源之间的主动耦合，所述快门可以增加的速度及较大准确性 来经致动同时消耗较少功率。增加的速度改进了光调制器转变时间，因此改进显示器的效 率及视觉质量。此外，由于本文所述的实施方案在操作期间不具有驻流，所以光调制器可在 消耗较少功率的同时经致动。结果，此类实施方案可用于低功率显示操作。
[0039] 图IA展示直观式基于MEMS的显示设备100的示意图。显示设备100包含按行及 列布置的多个光调制器l〇2a-102d(总称为"光调制器102"）。在显示设备100中，光调制 器102a及102d处于开放状态下，从而允许光通过。光调制器102b及102c处于闭合状态 下，从而阻碍光通过。通过选择性地设置光调制器102a-102d的状态，显示设备100可用以 在由一或多个灯105照明的情况下形成用于背光显示的图像104。在另一实施方案中，设 备100可通过反射源自设备的前方的环境光来形成图像。在另一实施方案中，设备100可 通过反射来自位于显示器前方的一或多个灯（即，通过使用前照灯）的光而形成图像。
[0040] 在一些实施方案中，每一光调制器102对应于图像104中的像素106。在一些其它 实施方案中，显示设备100可利用多个光调制器以形成图像104中的像素106。举例来说， 显示设备100可包含三个色彩特定光调制器102。通过选择性地打开对应于特定像素106 的色彩特定光调制器102中的一或多者，显示设备100可产生图像104中的彩色像素106。 在另一实例中，显示设备100包含每像素106两个或两个以上的光调制器102以在图像104 中提供明度级别。关于图像，"像素"对应于由图像的分辨率界定的最小像元。关于显示设 备100的结构组件，术语"像素"指用以调制形成图像的单个像素的光的组合式机械与电组 件。
[0041] 显示设备100为直观式显示器，这是因为所述显示设备可能不包含通常可见于投 影应用中的成像光学器件。在投影显示器中，形成于显示设备的表面上的图像被投影到屏 幕上或投影到墙壁上。显示设备实质上小于所投影图像。在直观式显示器中，用户通过直 接查看显示设备而看到图像，所述显示设备含有光调制器及任选地用于增强在显示器上见 到的亮度及/或对比度的背光或前照灯。
[0042] 直观式显示器可以透射或反射模式来操作。在透射式显示器中，光调制器过滤或 选择性地阻挡源自定位于显示器后方的一或多个灯的光。来自灯的光任选地注入到光导或 "背光"中，使得每一像素可受到均匀照明。透射直观式显示器常常建置在透明或玻璃衬底 上以促成其中含有光调制器的一个衬底直接定位于背光顶部上的夹层组合件布置。
[0043] 每一光调制器102可包含快门108及光圈109。为了说明图像104中的像素106， 快门108经定位以使得快门允许光通过光圈109而朝向观看者。为了保持像素106未被照 亮，快门108经定位以使得其阻碍光通过光圈109。光圈109由贯穿每一光调制器102中的 反射性或光吸收材料而图案化的开口界定。
[0044] 显示设备还包含连接到衬底及光调制器以用于控制快门的移动的控制矩阵。控制 矩阵包含一连串电互连件（例如互连件110、112及114)，所述互连件包含每像素行至少一 个写入启用互连件11〇(还称为"扫描线互连件"）、用于每一像素列的一个数据互连件112 及将共同电压提供到所有像素或至少提供底来自显示设备100中的多个列及多个行两者 的像素的一个共同互连件114。响应于适当电压（"写入启用电压，V we"）的施加，用于给定 像素行的写入启用互连件110使所述行中的像素准备好接受新的快门移动指令。数据互连 件112以数据电压脉冲的形式传达新的移动指令。在一些实施方案中，施加到数据互连件 112的数据电压脉冲直接促进快门