操控调制器中热响应的装置和方法

专利名称：操控调制器中热响应的装置和方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMS)且，更特定来说，涉及用于选择性地产生光波的相长干涉和/或相消干涉的装置和方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)包括微机械元件、激励器和电子设备。微机械元件可采用沉积、蚀刻或其他可蚀刻掉衬底及/或所沉积材料层的若干部分或可添加若干层以形成电气和机电装置的微机械加工工艺制成。一种类型的MEMS装置被称为干涉式调制器。如本文所用，术语干涉式调制器或干涉式光调制器是指可利用光学干涉原理来选择性吸收和/或反射光的装置。在一些实施例中，干涉式调制器可包含一对导电板，其中之一或二者可为部分地透明，且能在施加一个适当的电信号时作相对运动导向体。在一个特殊的实施例中，其中一个板可包含一沉积在一衬底上的静止层，另一个板可包含一悬于该静止层上的金属膜。如本文中将更加详细描述的一般，一个板相对于另一个板的位置可改变入射在干涉式调制器上的光的光学干涉。上述装置具有广泛的应用范围，且在此项技术中，利用及/或修改这些类型的装置的特征使其特性可用于改善现有产品及制造目前尚未开发的新产品将是颇为有益的。

发明内容
一方面，本发明提供一种干涉式光调制装置。所述干涉式光调制装置包括一个部分反射部分、一个热响应可移动部分和一个热源。所述热响应可移动部分响应温度变化而相对于部分反射移动。配置所述热源以加热可移动部分，从而改变在部分反射部分和可移动部分之间的距离。本发明的另一方面，干涉式光调制装置进一步包括一个处理器和一个与所述处理器电连通的存储装置，所述处理器与热源电连通且被配置以处理图像数据。
另一方面，本发明提供一种具有复数个微机械显示元件的显示装置。每个显示元件包括一个透射层、一个反射层和一个加热元件。反射层与透射层平行，且通过热响应材料支撑与所述透射层隔开。加热元件与热响应材料热连通。
另一方面，本发明提供一种调制电磁辐射的方法。所述方法包括提供一个微机械装置，其包括有一个热响应部分、一个温度调制器、一个第一部分反射表面和一个与第一表面隔开且平行于第一表面的第二表面。所述热响应部分响应温度的变化而移动。所述方法进一步包括调节温度调制器以改变热响应部分的温度，从而改变第一表面和第二表面之间的距离。
另一方面，本发明提供一种制造微机械装置的方法。所述方法包括形成一个第一反射层；形成一个与第一反射层隔开的第二反射层；和形成一个与第二反射层热连通的加热元件。另一方面，本发明提供一种由此方法形成的干涉式调制器。
另一方面，本发明提供一种干涉式调制器。所述干涉式调制器包括一个透射层、一个反射层和一个使用热能激励反射层运动的构件。
另一方面，本发明提供一种干涉式调制器装置，其包含用于部分地反射光的第一构件。所述装置进一步包含用于反射光的第二构件，其被配置以响应温度改变而相对于第一部分反射构件移动。所述装置进一步包含用于加热所述第二反射构件从而改变在第一部分反射构件和第二反射构件之间的距离的构件。


图1为一等角视图，其显示一个具有干涉式调制器的干涉式调制器显示器的一部分，其中静电引力使一个可移动层相对于一个固定层移动。
图2为一系统方框图，其显示一包含一个使用图1的干涉式调制器形成的3×3干涉式调制器显示器的电子装置。
图3为图1所示干涉式调制器的可移动镜位置与所施加电压的关系图。
图4显示可用于驱动图2的干涉式调制器显示器的一组行和列电压的一个实例。
图5A显示在图2所示的3×3干涉式调制器显示器中的一个例示性显示数据帧。
图5B显示可用于写入图5A所示帧的行信号和列信号的一个例示性时序图。
图6为一等角视图，显示根据本发明的优选实施例的具有干涉式调制器的干涉式调制器显示器的一部分，所述干涉式调制器被配置以使用热能来激励。
图7A、图7B和图7C显示根据本发明的优选实施例，图6的干涉式调制器的各种加热元件配置。
图8A和图8B为截面侧视图，其更加详细地展示根据本发明的各种优选实施例的图1的干涉式调制器。
图9A和图9B为根据本发明的各种优选实施例的干涉式调制器的反射表面的支撑结构的从上向下视图。
图10显示一个根据本发明的各种优选实施例的具有3×3的干涉式调制器阵列的显示器的一部分。
图11A为一个显示一根据本发明优选实施例的显示装置的系统方框图；和图11B为一个更加详细地显示图11A的显示装置的一些组件的系统方框图。
具体实施例方式
以下详细说明针对本发明的某些具体实施例。但是，本发明可通过许多不同的方式实施。在本说明中，将参照附图，在附图中，类似的部件自始至终使用类似的编号标识。根据以下说明容易看出，所述实施例可以以任一被配置用于显示图像(无论是动态图像(例如视频)还是静态图像(例如静止图像)，无论是文字图像还是图片图像)的装置中实施。更具体而言，预期该等实施例可在例如(但不限于)以下等多种电子装置中实施或与这些电子装置相关联移动电话、无线装置、个人数据助理(PDA)、手持式计算机或便携式计算机、GPS接收器/导航器、照相机、MP3播放器、摄录机(camcorder)、游戏机、手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、计算机监视器、汽车显示器(例如，里程表显示器等)、驾驶舱控制器及/或显示器、摄像机视图显示器(例如，车辆的后视照相机显示器)、电子照片、电子告示牌或标牌、投影仪、建筑结构(例如墙砖的布局)、包装及美学结构(例如，一件珠宝的图像显示器)。具有与本文所述类似的结构的MEMS装置也可被用于诸如电子开关装置的非显示器应用中。
如以下将更加详细地描述，一般通过改变在一对导向体之间的静电引力来改变从干涉式调制器的光吸收或反射作用。通过穿过板的电压引起静电引力。应了解，此一调制器的两种可能的状态为1)缺少静电引力或2)存在静电引力。在第一种状态下，通过被放松时板的位置来判定在两个板之间的间距。在第二种状态下，两块板通常会合到一起，直到两块板相接触或其中的一块板碰到物理限位器。通过在两种状态之间交替，干涉式调制器一般以二进制或数字形式工作，可产生在一给定频率的相消干涉或相长干涉，或也可不产生这样的干涉。由于在这些干涉式调制器中的板相对于另一板在两个距离之间交替，故应了解，一般基于这些相对距离判定处于一特定状态下与所述板的相消或相长干涉的特定频率。
在本发明的优选实施例中，通过热能激励反射层相对于透射层的运动。所述透射层为部分透射性且也允许光透射到反射层。较佳地，形成其中一层或两层的材料或支撑其中一层或两层的材料包括可与温度成函数关系发生收缩、膨胀或另外改变形状的热响应材料。在一些优选实施例中，透射层较佳地保持静止，而反射层可相对于透射层移动。热能激励热响应材料中的形状改变，此引起反射层移动。通过调整热响应材料的温度，可较佳地调整材料的形状改变量，从而允许透射层和反射层之间的间距根据需要而改变。因此，通过改变施加到热响应材料的热能，可实现对相消/相长干涉频率的类模拟控制。
通过施加热能来调整热响应材料的温度，较佳是从一个优选与材料相接触的加热元件(如，电阻加热器)导电性地传热。应了解，其他形式的热传递也是可能的，例如，从红外光源辐射热传递到热响应材料。在一些实施例中，可通过各种插入管道向热响应材料传递热能。例如，加热元件可用于(例如，从红外光源)吸收热能，并接着传递热能到热响应材料。
图1中显示了一个具有干涉式MEMS显示元件的干涉式调制器显示器的一个实施例，所述干涉式MEMS显示元件具有通过静电引力控制的透射层和反射层。在这些装置中，像素处于亮状态或暗状态。在亮(“开(on)”或“打开(open)”)状态下，显示元件将大部分入射光反射给使用者。在处于暗(“关(off)”或“关闭(closed)”)状态下时，显示元件将很少的入射光反射给使用者。视实施例而定，可颠倒“开”和“关”状态的光反射特性。可配置MEMS像素以主要反射选定颜色，允许在黑白显示之外的彩色显示。
图1为一显示在一视觉显示器的一系列像素中的两个相邻像素的等角视图，其中每个像素包含一MEMS干涉式调制器。在一些实施例中，一干涉式调制器显示器包含一由这些干涉式调制器组成的行/列阵列。每个干涉式调制器包括一对反射层，所述反射层彼此相隔一可变和可控距离以形成一具有至少一个可变维的光学谐振腔。在一实施例中，所述反射层中的一个可在两个位置之间移动。在第一位置中，本文称为放松位置，所述可移动层位于离一固定的部分反射层相对较远的距离处。在第二位置中，所述可移动层位于更加靠近所述部分反射层的位置。从所述两层反射的入射光视可移动反射层的位置而定进行相长或相消干涉，形成对于每个像素而言的全反射或非反射状态。
图1中所显示的像素阵列的部分包括两个相邻的干涉式调制器12a和12b。在左边的干涉式调制器12a中，所显示的可移动且高反射层14a位于离固定的部分反射层16a一预定距离处的放松位置处。在右边的干涉式调制器12b中，所显示的可移动高反射层14b位于与所述固定的部分反射层16b相邻的激励位置处。
固定层16a、16b为导电、部分透明且部分反射的，且可通过例如在一透明衬底20上沉积一或多层分别由铬和氧化铟锡形成的层而制成。将这些层图案化成平行的条带，且可在一显示装置中形成行电极，这将在下文作进一步描述。可将可移动层14a、14b形成为沉积在支柱18顶上的一或多层沉积金属层(与行电极16a、16b垂直)的一系列平行条带和一沉积在支柱18之间的中间牺牲材料。当蚀刻掉牺牲材料时，通过一界定间隙19将可变形金属层14a、14b从所述固定金属层中分离出来。高导电性及反射性的材料(诸如，铝)可用于可变形层，且这些条带可在一显示装置中形成列电极。
无施加电压的情况下，空腔19保持在层14a、16a之间，且可变形层处于由图1中的像素12a所示的机械放松状态。然而，当向一选定行和列施加一电位差时，在对应的像素处于行电极和列电极相交处形成的电容将充电，且静电力将这些电极拉到一起。如果电压足够高，那么如图1中的像素12b所示，可移动层变形且被压抵于固定层上(可在固定层上沉积一介电材料(图中未示)，以防止短路并控制间距)，如图1中右侧的像素所示。无论所施加的电位差的极性如何，运转状态(behavior)均相同。以此方式，可控制所述反射与非反射像素状态的行/列激励在许多方面与常规的LCD和其他显示技术所使用的相类似。
图2至图5B显示一个在显示器应用中使用一干涉式调制器阵列的例示性过程和系统。
图2为一系统方块图，其显示一可包含本发明若干方面的电子装置的一个实施例。在所述例示性实施例中，所述电子装置包括一处理器21，其可为任何通用单芯片或多芯片微处理器，例如ARM、Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium IV、PentiumPro、8051、MIPS、Power PC、ALPHA或任何专用微处理器，例如数字信号处理器、微控制器或可编程门阵列。按照业内惯例，可将处理器21配置以执行一个或多个软件模块。除执行一个操作系统外，还可将所述处理器配置以执行一个或多个软件应用程序，包括网页浏览器、电话应用程序、电子邮件程序或任何其他软件应用程序。
在一实施例中，处理器21还配置成与一阵列控制器22进行通信。在一实施例中，阵列控制器22包括向显示器阵列或面板30提供信号的行驱动电路24和列驱动电路26。图1中所示阵列的横截面在图2中以线1-1示出。对于某些MEMS干涉式调制器而言，行/列激励协议可利用图3中所示的这些装置的滞后性质。其可能需要例如10伏的电位差来使像素从放松状态变形到受激励状态。然而，当电压从所述值降低时，随着电压回降至低于10伏，所述可移动层保持其状态。在图3所示的例示性实施例中，可移动层不会完全放松，直到电压降至低于2伏。因而，在图3所示的实例中存在一电压范围(为约3至7V)，在所述电压范围中存在一施加电压窗口，在所述窗口内，装置稳定保持在放松或受激励状态。这在本文中称为“滞后窗口”或“稳定窗口”。对于图3的具有滞后特征的显示器阵列，行/列激励协议可设计成在行选通期间，使所选通行中待激励的像素暴露于一约10伏的电压差，并使待放松的像素暴露于一接近0伏的电压差。在选通之后，使像素暴露于一约5伏的稳态电压差，以使其保持于行选通使其所处的任何状态。在被写入之后，在本实例中，每一像素在“稳定窗口”内均经历一3-7伏的电位差。所述特性使图1所示的像素设计在相同的施加电压条件下稳定在一既有的激励状态或放松状态。由于无论是处于受激励状态还是放松状态，干涉式调制器的每一像素实质上都是一由所述固定镜和移动反射层形成的电容器，所以所述稳定状态可在一滞后窗口内保持在一电压下而几乎无功率消耗。如果所施加的电位固定，则基本上无电流流入像素。
在典型应用中，可通过根据第一行中所期望的一组受激励像素确定一组列电极而形成一显示帧。此后，将行脉冲施加到行1的电极，从而激励与所确定的列线对应的像素。此后，使所确定的一组列电极变成与第二行中所期望的一组受激励像素对应。接着，将脉冲施加于行2电极，从而根据所确定的列电极来激励行2中的适当像素。行1的像素不受行2脉冲的影响，且保持在其在行1脉冲期间所设定的状态。可按顺序性方式对整个系列的行重复此过程，以产生所述帧。通常，通过以某一所需帧数/秒的速度连续重复此过程，用新的显示数据刷新和/或更新这些帧。很多用于驱动像素阵列的行和列电极以产生显示帧的协议也已经为人们所熟知，且可与利用干涉式调制器的显示器结合使用。
图4、图5A和图5B显示用于在图2所示的3×3阵列上形成一显示帧的一种可能的激励协议。图4显示可用于那些展现图3的滞后曲线的像素的可能的一组列和行电压电平。在图4所示的实施例中，激励一像素包括将适当的列设定到-Vbias，并将适当的行设定到+ΔV，可分别对应于-5V和+5V。通过将适当的列设定到+Vbias并将适当的行设定为相同的+ΔV，在像素上产生0伏的电位差，来实现像素的放松。在那些行电压保持在0伏的行中，像素稳定在其最初所处的任何状态，而与所述列是处于+Vbias还是-Vbias无关。如在图4中也显示的情况，应了解，可使用除了以上所描述的电压之外的具相反极性的电压，例如，激励一个像素可包括将适当列设定为+Vbias，和将适当行设定为-ΔV。在本实施例中，通过将适当列设定为-Vbias，和将适当行设定为相同的-ΔV，在像素上产生一个零伏的电位差。
图5B为一显示施加到图2所示的3×3阵列的一系列行和列信号的时序图，其将形成图5A所示的显示排列，其中受激励像素为非反射性的。在写入图5A所示的帧之前，像素可处于任何状态，且在本实例中，所有的行均处于0伏，且所有的列均处于+5伏。在这些施加电压下，所有的像素稳定于其现有的受激励状态或放松状态。
在图5A所示的帧中，像素(1，1)、(1，2)、(2，2)、(3，2)和(3，3)受激励。为实现此，在行1的“行时间(line time)”期间，将列1和列2设定为-5伏，且将列3设定为+5伏。这不会改变任何像素的状态，因为所有的像素均保持于3-7伏的稳定窗口内。此后，通过一从0伏上升到5伏然后又回到0伏的脉冲来选通行1。此激励了像素(1，1)和(1，2)并释放了像素(1，3)。阵列中的其他像素均不受影响。为将行2设定为所期望的状态，将列2设定为-5伏，且将列1和列3设定为+5伏。此后，向行2施加相同的选通脉冲将激励像素(2，2)并放松像素(2，1)和(2，3)。同样，阵列中的其他像素均不受影响。类似地，通过将列2和列3设定为-5伏并将列1设定为+5伏而对行3进行设定。行3的选通脉冲将行3像素设定为如图5A所示。在写入帧之后，行电位为0，而列电位可保持在+5伏或-5伏，且此后显示器将稳定于图5A所示的排列。应了解，可对由数十或数百个行和列构成的阵列使用相同的程序。还应了解，用于执行行和列激励的电压的时间、顺序和电压电平可在上述的一般原理内有很大变化，且上述实例仅为例示性的，而任何激励电压方法均可用于利用静电引力移动在干涉式调制器中的可移动层的系统。
如上所述，在一些干涉式调制器中的可移动或反射层可通过在该层和一固定或透射层之间产生静电引力来激励。此使干涉式调制器在两种状态之间转换，一般暗或亮状态。在优选实施例中，施加热能以激励可移动层的运动。有利地，可使用热能以使干涉式调制器在暗或亮状态之间转换，或干涉式调制器可被配置以主要反射选定的光频率，从而显示黑白之外的颜色。可通过改变在所述干涉式调制器的反射层和透射层之间的距离来选择颜色，从而改变光频率，其中相长干涉和/或相消干涉发生。
参考图6，两个相邻的干涉式调制器110a、110b展示了视觉显示器100的一部分。干涉式调制器110a、110b分别在所示的显示器100中形成一像素且各包括一个固定或透射层16a、16b和一个可移动或反射层14a、14b。图左侧所展示的干涉式调制器110a处于放松位置，且图右侧所展示的干涉式调制器110b处于激励位置。较佳地，如上所述，层16a、16b为部分反射的且层14a、14b为高度反射。
应了解，较佳地通过弯曲导向体112a、112b使可移动层14a、14b在一个方向上弯曲，所述的弯曲导向体112a、112b较佳地防止在一个方向中远离固定层16a、16b的运动。导向体112a、112b可为任何能够用作限制所述层14a、14b运动的机械限位器的结构。例如，导向体112a、112b可为一相对不可弯曲的材料层。
应了解，可通过各种其他构件向可移动层14a、14b施加偏压以使其在一特定方向上运动。例如，可在所期望的运动方向上形成具微弓形的可移动层14a、14b(例如，在所示的实施例中向内弯曲入气隙19中)。在另一实例中，可用一或多种响应温度变化以预定方式变形或膨胀的材料形成可移动层14a、14b，下文将对此进一步讨论。
继续参考图6，在所示的实施例中，可移动层14a、14b是由一种热响应材料形成，所述材料当受到热激励时，允许可移动层14a、14b在第一位置和第二位置之间移动。用于可移动层14a、14b的适当热响应材料的非限制实例包括镍、铝、镍合金、铝合金、镍铝合金、金、铂、铑、铜、银和包括诸如镍钛诺(nitinol)(镍钛合金)的金属的形状记忆材料。形状记忆材料可特别有优势，尤其是对于在亮或暗状态之间交替的干涉式调制器110a、110b。这样的材料允许材料随温度的相对较小变化，在尺寸方面有很大的、相对陡然的改变。为了对材料尺寸有更连续的控制和因此对可移动层14a、14b位置有更好的控制，所述热响应材料较佳地具有可随温度发生预测性的和相对连续的变化的尺寸。有利地，诸如镍、铝、镍合金、铝合金、金、铂、铑、铜和银的金属适用于此目的，由于其膨胀度在适合人类使用干涉式调制器110a、110b的温度范围内是作为温度的函数大体上呈线性。另外，热响应材料较佳地对所有期望辐射频率(例如，在光波长的光)具高反射性，以简化生产且允许其用于层14a、14b的反射表面。在其他实施例中，具高反射性且可由与层14a、14b相同或不同的材料形成的另一个层可被覆盖或以其他方式附着到层14a、14b，以实现所需的反射度。非高反射性的热响应材料的地方可尤其需要这种额外的镜面。
应了解，可移动层14a、14b可由一个以上的材料层形成。例如，可移动层14a可以由一个由两种不同的金属层形成的双金属夹层构成，这两种不同的金属层较佳具有不同的热膨胀系数。两个金属层的组合实例包括一层镍或铜和另一层铁或钛。优选是将较易响应热而膨胀的材料安置为面向固定层16a、16b，而将由另一材料形成的第二层安置于所述较易膨胀层的后面。随着所述较易膨胀层的膨胀，由此膨胀所产生的压力和第二层膨胀的相对不足导致夹层朝向固定层16a、16b而向外弯曲。有利的是，由于双金属夹层当被加热时倾向于在一预定方向中弯曲，故可形成无导向体112a、112b的干涉式调制器110a、110b。
继续参考图6，优选是每个干涉式调制器110a、110b都配备有自己的加热元件120。加热元件120向一选定层14a、14b供热，以将一选定的干涉式调制器110a、110b从放松状态切换到受激励状态。在所示的实施例中，加热元件120为电阻加热器，其因为对流过加热器电流的电阻而产生热量。例如，电阻加热器可包含由诸如铟锡氧化物(ITO)或任何其他适用于电阻加热的材料所形成的导线。优选是，加热元件使用电流(例如使用导线)产生热的地方，和层14a、14b为导电性的地方，导线或加热元件本身是与层14a、14b电绝缘的。例如，可将导线嵌入一电介质材料(例如，各种氧化物)中或可将电介质材料形成在加热元件120和层14a、14b之间的一层中。优选是，绝缘材料为电绝缘和高度传热性的。
继续参考图6，电流且因此热量的产生是由安装在加热元件120和电流源之间的电连接中的开关130a、130b控制的。通过关闭开关130a、130b中的一个来激励层14a、14b。将干涉式调制器110b的加热元件连接到关闭的开关130b，这导致电流流向干涉式调制器110b中的加热元件(未图示)，从而产生热量且引起层14b移动且因此将干涉式调制器110b置于一受激励状态。为了有效地加热层14a、14b，优选是选择由加热元件120所产生的热量使其超过层14a所耗散的热量。举例而言，可通过向相邻干涉式调制器110a、110b的热传导、来自层14a、14b的前侧和后侧的热对流以及辐射损耗来耗散热量。
应了解，任何适合于显示器100的开关装置都可用作开关130a、130b。例如，开关130a、130b可为机械开关，其中一个导电部分移动至接触一个导电元件以形成一电连接。在其他实施例中，开关可为晶体管。
有利的是，使开关与每个层14a、14b相关联允许干涉式调制器110a、110b在连接到适当的辅助控制系统时能单独受控制。例如，可在一个显示器中以类似于有源矩阵液晶显示器的方式控制和实施干涉式调制器110a、110b。如此项技术中已知，对像素的单独控制允许通过降低在像素之间的串扰来形成高质量的图像。
在其他实施例中，可将干涉式调制器110a、110b分组且以组激励。例如，可将干涉式调制器110a、110b按行或列分组且将其配置成一齐激励。所述干涉式调制器110a、110b可分别具有一开关130a、130b和一个配置以同时将调制器110a、110b置于相同的状态下的控制器。优选是将干涉式调制器110a、110b组的加热元件120电连接在一起，例如，串联或并联，且接着将整组连接到一单个开关上。
如上所述，可以二进制的方式移动可移动层14a、14b且可通过经测量的施热来控制移动的程度。在一些情况下，可期望二进制模式的操作，因为并不必要对施加到加热元件120的热量进行细微调节。因为固定层16a、16b充当机械限位器，所以多余热量的施加不会影响到层14a、14b的位置，因为层14a、14b被限位不会移动越过一特定点。
在其他实施例中，可更加精密地调节层14a、14b的温度以允许对那些层的位置做更细微的控制。优选是，在这些情况下，流过开关130a、130b的电流根据需要与开关130a、130b的切换发生同步变化，从而根据需要改变加热元件120的温度。应了解，可使用干涉式调制器110a、110b中的且更佳是直接在层14a、14b各层中的温度传感器140来调整层14a、14b的温度。在其他实施例中，施加到加热器120的电流量可例如通过试验来校准，以产生所要的温度。例如，可通过使三种或更多不同电平之一的电流流向加热元件120，来实现三种或更多种温度。如上所述，可基于在层14a、14b和16a、16b之间的一个所要的间距来选择移动的程度，所述间距又可基于为给出一所要颜色所必需的间距来选择。
应了解，干涉式调制器110a、110b可如上文关于图1的描述般制造，形成一加热器元件120与层14a、14b热连通。在其他实施例中，可预先制造各种零件14a、14b、16a、16b和120且形成这些零件仅仅涉及提供这些零件且接着组合这些零件以制成干涉式调制器110a、110b。
参考图7A-7C，优选是安置加热元件，以均匀加热在可移动层中的热响应材料，以促使其一致地上移和下移。图7A为图1中干涉式调制器110a的截面侧视图，其中将一个金属材料条带14a沉积在垂直延伸的支撑件18上。图7B和图7C为展示在各种例示性实施例中加热元件120位置的从上向下视图(相对于图7A中的干涉式调制器110a的方向从上向下)。优选是，如图7B所示，加热元件120位于可移动层14a的中心，以建立一个相对于层14a的中心对称的温度梯度。
在其他实施例中，如图7C所示，加热元件120可包括位于更加集中的位置以更好地定位在层14a的各部分的热能的多个区域，其中需要材料在形状或尺寸方面有变化。应了解，可将这些各部分连接在一起且作为一单个整体来控制或可独立控制。有利的是，加热元件120为一由布线形成的电阻加热器，层14a可形成为具有一个可变布线密度以将热量集中施加到特定区域。例如，在需要更多热能的区域中的布线密度可更高。
应了解，改变可移动层14a的温度所需的时间，无论是通过加热或冷却，都会影响到使用该层的显示器的刷新率。例如，在可移动层14a对温度变化的响应时间的增加允许显示器在更短时间内刷新。另外，可移动层14a可最优化以更快地加热或冷却，从而提供一个更快的刷新率。更快的刷新率可使在视频显示中的连续帧之间的可察觉过渡更少。
在一些情况下，可选择可移动层14a的材料和与该层相接触的各种零件，以给出一个所要的加热和冷却特征，且因此影响了刷新率。例如，可移动层14a和/或与该层相接触的各零件可由具有高热系数的材料形成以增大将热从可移动层14a传导出去的速率，因此，增大了冷却率。或者，可移动层14a和/或与该层相接触的各零件可由具有低热系数的材料形成，以减小将热从可移动层14a传导出去的速率，因此，减小了冷却率。
应了解，层14a一旦被允许冷却，例如通过阻止流向加热元件120的电流，其就将回复到放松状态。可移动层14a退回到放松状态的运动是热量随其耗散的速率的函数。有利的是，层14a很小的热质量允许其迅速冷却。在其他实施例中，可通过例如使用散热器或有源冷却系统来增大冷却率，以增大刷新率。
当不需要冷却时，为了最小化可移动层14的冷却，可使该层与周围结构热绝缘。例如，干涉式调制器110a优选是具有一终止层17，其适当地将在受激励状态下的层14a与层16a间隔开一个所要的距离且其也优选为一个当层14a被激励且接触到层17时最小化热量损耗的热绝缘体。
按照上述原理运行的干涉式调制器的详细结构可有很大不同。例如，图8A-8B显示了移动镜面结构的两个例示性替代实施例，所述移动镜面结构为图7A中的可移动层14a的一部分。在图8A中，可移动反射材料14仅在隅角处附接到支撑件上，于系链32上，所述支撑件优选是如本文所论述的由热响应材料形成。在图8B中，可移动反射材料14从一可变形层34悬挂下来，其包括热响应材料。反射材料14由支撑支柱38支撑且与透射层16间隔开来。优选是，将变形层34通过一个热绝缘体36连接到反射材料14，热绝缘体36抑制从变形层34向反射材料14的热量传递。热绝缘体36有利地既最小化反射材料14的所不期望的热量损耗又防止由于来自变形层34的热量传递而产生的反射材料14的所不期望的且可能不一致的膨胀。图8B的实施例具有益处，因为可参考光学特性来最优化反射材料14的结构设计和材料，且可参考机械特性来最优化变形层34的结构设计和材料。各种类型的干涉式装置的生产在多种公布文档中都有描述，包括(例如)美国公开申请案第2004/0051929号。广泛多种的已知技术可用于生产以上所述的涉及一系列材料沉积、图案化和蚀刻步骤的结构。
例如，支撑支柱38和可变形层34可为一单个材料层，其中支撑支柱38通过沉积到一个孔中而形成，而可变形层34通过沉积在一个平坦表面上而形成。在其他实施例中，支撑支柱38可通过以下步骤独立地形成通过填充一个孔，平面化所得的结构，然后把变形层34沉积于经过平面化的表面上。此外，可在支撑支柱34上形成额外结构。例如，可在支撑支柱38上形成一个额外的导电结构，以形成一个导电总线结构。此结构可用于沿着干涉式调制器的背部布线电路。
参考图9A和图9B，支撑支柱38可以多种不同于以上所论述的方式支撑可变形层34和反射层14a。例如，在图9A中，呈大型中心背撑74形式的图案被四个小型支撑76a-76d包围。中心背撑74和四个小型支撑76a-76d用于支撑可变形层34。所示层34经图案化且从膜边缘移除，以使其与相邻的调制器元件间隔开来。在其他实施例中，如图9B中所示，可变形层34经图案化，以形成连接到各支撑支柱38a-38d的细的、线性条带78a-78d。通过一个中心支撑74将所述条带附着到反射层14a上(图8B)。这两种替代以及其他实施例会影响且可用于最优化镜面移动的自由度和移动的细节机械特征。
除了不定地控制在层14a与16a之间的间距之外，一种形成彩色像素的方法是构造具有不同的层14a与16a间距的干涉式调制器，以便在这些干涉式调制器中实现的干涉产生出红、绿和蓝颜色。图10显示3×3的干涉式调制器阵列的布局视图，每个干涉式调制器4a-4i具有一个或一个以上的加热元件120，其可具有彼此相同或不同的配置。干涉式调制器可为一侧约25-60微米，产生每英寸约400-1,000个点。可将许多干涉式调制器分组且作为单色、彩色或灰度显示器中的一个像素或子像素来一起驱动。例如，每个干涉式调制器4a-4i可对应于在单色显示器中的一单个显示像素。对于彩色或灰度显示器来说，每个干涉式调制器的颜色或强度是由在光学层和机械层之间的气隙尺寸所确定。具有不同强度或颜色的多个子元件形成一个灰度或彩色像素。为了制造一个平板显示器，干涉式调制器4a-4i的一个大型阵列被按照所要的形式制造和包装。
图10展示了九个组件，红色、绿色和蓝色各三个。调制器4(a)、4(d)、4(g)可对应于蓝色，4(b)、4(e)、4(h)对应于绿色和4(c)、4(f)、4(i)对应于红色。这三种不同的颜色可通过改变处于受激励位置的反射层14a、14b和透射层16a、16b(图6)之间的距离来实现。当反射层14a、14b被加热且膨胀时，反射层14a、14b可全部移动一距透射层16a、16b均等的距离或其可全部移动一距透射层16a、16b不同的距离。当然，全部九个调制器可横穿整个腔且移动到一个使其与衬底直接接触的近位置。控制支撑件的机械特性和/或物理约束可在层14a、14b和16a、16b之间产生三种不同的间距，且因此，可产生三种不同的像素颜色。优选的是，干涉式调制器4a-4i各具有一个终止层(图7A)，其经配置以将处于受激励位置的层14a、14b与层16a、16b间隔开一个所需距离。
在一些实施例中，可操控支撑反射层14a、14b或加热元件120的热响应材料的特征以在对加热器施加相同的功率量时引起镜面38移动不同距离。例如，加热元件120的布线密度可不同或具有不同热膨胀系数的不同材料可用于不同镜面38。在另一替代实施例中，所述调制器可具有相同结构，但可施加不同量的热能(例如，通过对不同的加热元件120施加不同的电流量达成)，以移动反射层14a、14b来给出不同颜色。
在图10所示的实施例中，可将驱动器芯片(未图示)附着在一个并入有干涉式调制器4a-4i的显示器的边缘处，以调整对加热元件120的电流施加。例如，行装置驱动器连接到所述显示器的各行，以允许行驱动器选择性地激励各行。类似地，一个列驱动器连接到所述显示器的各列，以允许列驱动器选择性地激励各列。列和行驱动器的时间确定了各干涉式调制器何时受到加热。对于包括子元件或子像素的显示器来说，可利用一个导电总线来控制所述像素的个别子组件。
列和行驱动器独立地激励行和/或列，以进而刷新各干涉式调制器4a-4i。如上所述，一个像素可包括一单个干涉式调制器4a-4i或一个干涉式调制器4a-4i阵列。当一个像素包括多个干涉式调制器4a-4i或子元件时，驱动器可依据显示器的设计个别或共同控制这些子元件。可借助使用一个导电总线来促进对子元件或子像素的个别控制。
图11A和图11B为显示一个实施例的系统方框图，其中将本文描述的干涉式调制器并入显示装置40中。所述显示装置40可为(例如)一蜂窝式电话或移动电话。然而，显示装置40的相同组件或其轻微变型也可说明不同类型的显示装置，例如电视或便携式媒体播放器。显示装置40包括一外壳41、一显示器30、一天线43、一扬声器44、一输入装置48及一麦克风46。外壳41通常由所属领域的技术人员所熟知的许多种制造工艺中的任何一种制成，包括注射成型及真空成形。另外，外壳41可由许多种材料中的任何一种制成，包括但不限于塑料、金属、玻璃、橡胶及陶瓷或其组合。在一实施例中，外壳41包括可与其他具有不同颜色或包含不同标志、图片或符号的可移动部分互换的可移动部分(未示出)。
例示性显示装置40的显示器30可为许多种显示器中的任何一种，包括如本文中所述的双稳态显示器。在其他实施例中，如所属领域的技术人员所熟知，显示器30包括一平板显示器，例如，如上所述的等离子体、EL、OLED、STN LCD或TFT LCD；或一非平板显示器，例如CRT或其他电子管装置。不过，如本文所述，出于说明本实施例的目的，显示器30包含一干涉式调制器显示器。
图11B示意性地显示例示性显示装置40的一个实施例的组件。所示例示性显示装置40包括一个外壳41且可包括其他至少部分地封闭在外壳41内的组件。例如，在一个实施例中，例示性显示装置40包括一网络接口27，网络接口27包括一个耦接到收发器47的天线43。收发器47连接到与调节硬件52相连的处理器21。调节硬件52可配置成调节一个信号(例如对信号进行滤波)。调节硬件52连接到一个扬声器44和一个麦克风46。处理器21也连接到输入装置48和驱动控制器29。驱动控制器29耦接到一个帧缓冲器28和阵列驱动器22，阵列驱动器22又耦接到一个显示器阵列30。电源50根据所述特定例示性显示装置40的设计的要求向所有组件提供功率。
网络接口27包括天线43及收发器47，以使例示性显示装置40可通过网络与一个或多个装置通信。在一实施例中，网络接口27还可具有某些处理能力，以降低对处理器21的要求。天线43为所属领域的技术人员习知的任一种用于发射和接收信号的天线。在一实施例中，所述天线根据IEEE802.11标准(包括IEEE 802.11(a)、(b)或(g))发射和接收RF信号。在另一实施例中，所述天线根据蓝牙(BLUETOOTH)标准发射和接收RF信号。如果是一蜂窝式电话，则所述天线设计成接收用于在一无线蜂窝电话网络内进行通信的CDMA、GSM、AMPS或其他习知信号。收发器47预处理自天线43接收的信号，以使这些信号可由处理器21接收及进一步处理。收发器47还处理从处理器21接收到的信号，以便可通过天线43从例示性显示装置40发射这些信号。
在一替代实施例中，收发器47可由一接收器替代。在另一替代实施例中，网络接口27可由一可储存或产生待发送到处理器21的图像数据的图像源替代。例如，所述图像源可为一数字视频光盘(DVD)或一包含图像数据的硬盘驱动器或一产生图像数据的软件模块。
处理器21通常控制例示性显示装置40的整体运行。处理器21自网络接口27或一图像源接收数据，例如经压缩的图像数据，并将所述数据处理成原始图像数据或一种易于处理成原始图像数据的格式。此后，处理器21将处理后的数据发送到驱动控制器29或帧缓冲器28进行存储。原始数据通常指标识一图像内每一位置处的图像特征的信息。例如，这些图像特征可包括颜色、饱和度及灰度级。
在一实施例中，处理器21包括一微处理器、CPU或控制例示性显示装置40的运行的逻辑单元。调节硬件52通常包括用于向扬声器44传输信号及从麦克风46接收信号的放大器及滤波器。调节硬件52可为例示性显示装置40内的离散组件，或者可并入处理器21或其他组件内。
驱动控制器29直接从处理器21或从帧缓冲器28接收由处理器21产生的原始图像数据，并将所述原始图像数据适当地重新格式化，以高速传输到阵列驱动器22。具体而言，驱动控制器29将原始图像数据重新格式化为一具有一光栅类格式的数据流，以使其具有一适用于扫描整个显示器阵列30的时间次序。此后，驱动控制器29将经格式化的信息发送到阵列驱动器22。尽管一驱动控制器29(例如一LCD控制器)通常作为一独立的集成电路(IC)与系统处理器21相关联，但这些控制器可按多种方式实施。其可作为硬件嵌入处理器21中、作为软件嵌入处理器21中、或与阵列驱动器22完全集成在硬件中。
通常，阵列驱动器22从驱动控制器29接收格式化后的信息，并将视频数据重新格式化为一组平行的波形，所述组平行的波形每秒许多次地施加到来自显示器的x-y像素矩阵的数百且有时是数千条引线。
在一实施例中，驱动控制器29、阵列驱动器22及显示器阵列30适用于本文所述的任何类型的显示器。例如，在一实施例中，驱动控制器29为一传统的显示控制器或一双稳态显示控制器(例如一干涉式调制器控制器)。在另一实施例中，阵列驱动器22为一传统驱动器或一双稳态显示驱动器(例如一干涉式调制器显示器)。在一实施例中，一驱动控制器29与阵列驱动器22集成在一起。此一实施例在例如蜂窝式电话、表及其他小面积显示器等高度集成的系统中很常见。在又一实施例中，显示器阵列30为一典型的显示器阵列或一双稳态显示器阵列(例如一包含一干涉式调制器阵列的显示器)。
输入装置48允许使用者能控制例示性显示装置40的运行。在一实施例中，输入装置48包括一小键盘(例如QWERTY键盘或电话小键盘)、一按钮、一开关、一触敏屏幕、一压敏或热敏膜。在一实施例中，麦克风46是例示性显示装置40的一输入装置。当使用麦克风46向所述装置输入数据时，可由使用者提供语音命令来控制例示性显示装置40的运行。
电源50可包括所属领域中众所周知的各种能量存储装置。例如，在一实施例中，电源50是一可再充电的蓄电池，例如镍-镉蓄电池或锂离子蓄电池。在另一实施例中，电源50是一可再生能源、电容器或太阳能电池，包括塑料太阳能电池及太阳能电池涂料。在另一实施例中，电源50经配置以从墙上插座接收电力。
如上文所述，在某些实施方案中，控制可编程性驻存于一驱动控制器中，所述驱动控制器可位于电子显示系统中的数个位置上。在某些情形中，控制可编程性驻存于阵列驱动器22中。所属领域的技术人员将了解，可以任意数量的硬件及/或软件组件及不同的配置来实施上述优化。
而且，可对文中所描述的干涉式调制器作出各种修改。例如，为了方便说明和描述，所示的反射、可移动层是相对于一个固定的、透射层移动，但是在其他实施例，固定层可受热且可移动。而且，两个层都是可移动的且配备有热响应材料和加热元件。
此外，可通过任何已知的热传递方法(包括传导、辐射或对流)将热提供给热响应材料。例如，加热元件可仅仅为可移动层中红外辐射被引向的一部分。
因此，所属领域的技术人员应了解，可在不脱离本发明的范围内对以上所描述的方法和结果作出各种其他删节、补充和修改。所有的这些修改和改变都应属于本发明的范围之内，如随附权利要求书所定义。
权利要求
1.一种干涉式光调制装置，其包含一个部分反射部分；一个热响应可移动部分，其响应温度改变而相对于所述部分反射部分移动；和一个热源，其经配置以加热所述可移动部分来改变所述部分反射部分与所述可移动部分之间的一距离。
2.如权利要求1所述的干涉式光调制装置，其中所述热源与所述可移动部分相接触。
3.如权利要求2所述的干涉式光调制装置，其中所述热源为一个电阻加热器。
4.如权利要求3所述的干涉式光调制装置，其中所述电阻加热器包含一金属丝。
5.如权利要求4所述的干涉式光调制装置，其中所述热源包含一介电材料，所述介电材料被安置在所述金属丝与所述可移动部分之间且使所述金属丝与所述可移动部分电绝缘。
6.如权利要求5所述的干涉式光调制装置，其中所述介电材料为氧化物。
7.如权利要求5所述的干涉式光调制装置，其中所述金属是选自由下列各物所组成的群组镍、铬、镍合金、铬合金和镍铬合金。
8.如权利要求1所述的干涉式光调制装置，其中所述可移动部分包含一热响应材料，其选自由下列各物所组成的群组镍、铝、镍合金、铝合金、镍铝合金、金、铂、铑、铜和银。
9.如权利要求8所述的干涉式光调制装置，其中所述可移动部分包含一个所述热响应材料的层。
10.如权利要求1所述的干涉式光调制装置，其中所述可移动部分包含至少两个材料层，其中所述材料层具有不同的热膨胀系数。
11.如权利要求10所述的干涉式光调制装置，其中所述可移动部分包含一个双金属夹层。
12.如权利要求11所述的干涉式光调制装置，其中所述双金属夹层包含一个包含镍或铜的层和另外一个包含铁或钛的层。
13.如权利要求1所述的干涉式光调制装置，其中所述可移动部分为一个镜面，其附着到一个包含一热响应材料的支撑件且与所述支撑件间隔开来。
14.如权利要求1所述的干涉式光调制装置，其中所述部分反射部分具有一个固定位置。
15.如权利要求1所述的干涉式光调制装置，其进一步包含一个与所述热源电连通的处理器，所述处理器经配置以处理图像数据；和一个与所述处理器电连通的存储装置。
16.如权利要求15所述的干涉式光调制装置，其进一步包含一个第一控制器，其经配置以发送至少一个信号到所述热源；和一个第二控制器，其经配置以发送至少一部分所述图像数据到所述第一控制器。
17.如权利要求15所述的干涉式光调制装置，其进一步包含一个图像源模块，其经配置以发送所述图像数据到所述处理器。
18.如权利要求17所述的干涉式光调制装置，其中所述图像源模块包含接收器、收发器和发射器中的至少一者。
19.如权利要求15所述的干涉式光调制装置，其进一步包含一个输入装置，其经配置以接收输入数据和将所述输入数据传送到所述处理器。
20.一种显示装置，其包含复数个微机械显示元件，每个显示元件包含一个透射层；一个反射层，其与所述透射层平行且由一热响应材料支撑与所述透射层相间隔开来；和一个与所述热响应材料热连通的加热元件。
21.如权利要求20所述的显示装置，其中所述加热元件为一个电阻加热器。
22.如权利要求21所述的显示装置，其中每个显示元件进一步包含一个电耦接到所述加热器的开关，其中所述开关调节流过所述加热器的电流，从而调整所述加热器的温度。
23.如权利要求22所述的显示装置，其中所述开关为一个晶体管。
24.如权利要求22所述的显示装置，其中用于每个显示元件的所述开关是可独立控制的。
25.如权利要求21所述的显示装置，其中所述显示元件被组织成组，其中一个电耦接至用于每组的所述加热器的开关经配置以调节流过所述加热器的电流，从而调整所述加热器的温度。
26.如权利要求25所述的显示装置，其中所述组包含显示元件行或列。
27.如权利要求20所述的显示装置，其进一步包含一个提供热能到所述加热元件的热源，其中所述加热元件包含一吸热材料。
28.一种调制电磁辐射的方法，其包含提供一个微机械装置，其包含一个热响应部分，其响应温度的变化而运动；一个温度调制器；一个第一部分反射表面；一个第二表面，其与所述第一表面间隔开来且大体平行于所述第一表面，其中所述热响应部分的运动改变所述第一与第二表面之间的一距离；和调节所述温度调制器以改变所述热响应部分的温度，从而改变所述第一表面与第二表面之间的所述距离。
29.如权利要求28所述的方法，其中改变所述距离变更了照射于所述第一和第二表面上的电磁波的干涉行为。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述电磁波为可见光波。
31.如权利要求30所述的方法，其中改变所述距离产生了集中在一所期望光频率上的相长干涉。
32.如权利要求30所述的方法，其中改变所述距离包含将所述第一表面安置在与所述第二表面相隔复数个距离处，以产生集中在复数个所期望光频率上的相长干涉。
33.如权利要求28所述的方法，其中改变所述温度包含从所述温度调制器向所述热响应部分传送热。
34.如权利要求33所述的方法，其中传送热包含导电性地加热所述热响应部分，其中所述温度调制器为一个电阻加热器。
35.如权利要求34所述的方法，其中调节所述温度调制器包含在三种或更多电平中改变流入所述电阻加热器的电流电平。
36.一种制造微机械装置的方法，其包含形成一个第一反射层；形成一个与所述第一反射层相间隔的第二反射层；和形成一个与所述第二反射层热连通的加热元件。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述第二反射层包含一热膨胀金属。
38.如权利要求37所述的方法，其进一步包含在所述加热元件与所述热膨胀金属之间形成一个电绝缘体。
39.如权利要求36所述的方法，其中形成所述加热元件包含形成一金属丝。
40.如权利要求36所述的方法，其中所述第一反射层和所述第二反射层中的至少一者是部分透明的。
41.一种通过如权利要求36所述的方法形成的干涉式调制器。
42.一种干涉式调制器，其包含一个透射层；一个反射层；和用于使用热能激励所述反射层运动的构件。
43.一种干涉式光调制装置，其包含用于部分反射光的第一构件；用于反射光的第二构件，其经配置以响应温度改变而相对于所述第一部分反射构件移动；和用于加热所述第二反射构件以改变所述第一部分反射构件与所述第二反射构件之间距离的构件。
44.如权利要求43所述的装置，其中所述第一部分反射构件包含一个部分反射表面。
45.如权利要求43所述的干涉式光调制装置，其中所述第二反射构件包含一个反射表面。
46.如权利要求43所述的干涉式光调制装置，其中所述加热构件包含一个热源。
全文摘要
通过改变在两个表面之间的间距使其中的一个表面被安置在另一个表面前面，一种干涉式调制器在两个表面反射出的光波之间选择性地产生相长和/或相消干涉。可通过使一个或两个所述表面变形来实现所期望的间距。与一个特定表面相联系的加热元件通过加热形成一个或两个所述表面的材料来引起变形。通过改变所施加的热量来改变变形量，因此可控制在所述表面之间的距离且从而按照需要产生相长和/或相消干涉。
文档编号G02B26/00GK1755483SQ20051010503
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月26日 优先权日2004年9月27日
发明者克拉伦斯·徐, 马克·米格纳德 申请人:Idc公司