具有窄间隙静电致动器的显示设备的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本专利申请案主张2013年3月13日申请且让渡给其受让人并借此以引用方式明 确并入本文的标题为"DisplayApparatuswithNarrowGapElectrostaticActuators" 的美国实用申请案第13/800, 151号的优先权。
技术领域
[0003] 本发明涉及成像显示器的领域，并且特别来讲涉及采用静电显示元件致动器的成 像显示器。
【背景技术】
[0004] 某些机电系统（EMS)静电致动器包含支撑在衬底上方的相对梁。致动此些致动器 所需的电压部分取决于梁之间的最小距离。举例来说，致动所述致动器所需的电压随相对 梁之间的最小距离的减小而减小。在此些致动器的一些实施方案中，致动所述致动器所需 的电压因梁材料在其沉积期间累积的固有应力而减小，导致所述梁中的至少一者的尖端自 然且自发朝向另一梁弯曲，从而减小其之间的最小距离。
[0005] 但是，一些制造过程未导致梁累积足够的内部应力以产生这种弯曲。因此，可能需 要额外电压以致动此些致动器，从而导致更耗电且更慢的显示器。
【发明内容】
[0006] 本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，所述创新方面中没有单一者 单独地对本文揭示的所要属性负责。
[0007] 可在具有衬底和耦合到所述衬底的机电系统（EMS)静电致动器的设备中实施本 发明中描述的标的物的一个创新方面。静电致动器可包含耦合到光调制器的负载梁电极。 静电致动器也可包含驱动梁电极，所述驱动梁电极具有：第一部分，其定位为邻近负载梁； 第二部分，其相对于负载梁定位在第一部分后方；以及端部分，其将第一部分连接到第二部 分，其中所述第二部分的厚度沿着其长度而变化。
[0008] 在一些实施方案中，驱动梁电极的第二部分包含第一大致U形片段，其中驱动梁 电极沿着第一大致U形片段的厚度不同于梁邻近第一大致U形片段的厚度。在这些实施方 案中的一些实施方案中，驱动梁电极的第二部分包含第二大致U形片段并且其中驱动梁电 极沿着第一大致U形片段和第二大致U形片段的厚度不同于第二部分的其余部分的厚度。 在一些实施方案中，第一U形片段邻近第二U形片段。
[0009] 在一些实施方案中，驱动梁电极的第一部分包含小于第二部分的第一U形片段的 第三大致U形片段。在一些实施方案中，驱动梁电极的第二部分的片段相对于衬底具有角 度，所述角度比由驱动梁电极的第二部分的其余部分相对于衬底形成的角度浅。在一些实 施方案中，相对于衬底具有较浅角度的驱动梁电极的第二部分的片段比衬底的第二部分的 其余部分薄。在一些实施方案中，驱动梁的第一部分、端部分和第二部分形成环状物。
[0010] 在一些实施方案中，所述设备进一步包含：显示器；处理器，其经配置以与所述显 示器通信并处理图像数据；以及存储器装置，其经配置以与所述处理器通信。在一些实施方 案中，所述设备可进一步包含：驱动器电路，其经配置以将至少一个信号发送到显示器；以 及控制器，其经配置以将将图像数据的至少一部分发送到驱动器电路。在一些实施方案中， 所述设备可进一步包含经配置以将图像数据发送到处理器的图像源模块，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。在一些实施方案中，所述设备进一步包含 经配置以接收输入数据并将输入数据传达到处理器的输入装置。
[0011] 可在具有衬底和耦合到所述衬底的机电系统（EMS)静电致动器的显示元件中实 施本发明中描述的标的物的另一创新方面。静电致动器包含耦合到光调制器的负载梁电极 和耦合到衬底的驱动梁电极。驱动梁电极包含：第一部分，其定位为邻近负载梁电极；第二 部分，其相对于负载梁电极定位在第一部分后方；端部分，其将第一部分连接到第二部分。 梁电极也包含与将驱动梁支撑在衬底上方的锚分离的架结构，所述架结构具有实质上平行 于衬底并耦合到驱动梁的第二部分的第一平坦表面。
[0012] 在一些实施方案中，第一平坦表面定位在实质上垂直于衬底的驱动梁的第二部分 的一侧上。在一些其它实施方案中，第一平坦表面定位在背离衬底的驱动梁的第二部分的 边缘上。在一些实施方案中，架结构包含第二平坦表面，所述第二平坦表面实质上平行于衬 底并且耦合到驱动梁的第二部分。在一些实施方案中，第一平坦表面及第二平坦表面定位 在相对于衬底实质上垂直的第二部分的一侧的相对端上。在一些实施方案中，架结构与驱 动梁的第一部分物理地分离。在一些实施方案中，驱动梁的第一部分、端部分和第二部分形 成环状物。
[0013] 可在一种方法中实施本发明中描述的标的物的另一创新方面，所述方法包含：在 衬底上方形成模具；在模具的表面上方形成光调制器；在模具的第一侧壁上形成耦合到光 调制器的负载梁；在模具的面向第一侧壁的第二侧壁上形成驱动梁的第一部分；以及在背 离第一侧壁的第三侧壁上形成驱动梁的第二部分，以使得第二部分的厚度沿着第二部分的 长度而变化。
[0014] 在一些实施方案中，第三侧壁包含U形部分，并且形成第二部分进一步包含沿着 第三侧壁的U形部分在第二部分中形成大致U形片段以使得第二部分沿着U形片段的厚度 不同于第二部分邻近大致U形片段的厚度。
[0015] 在一些实施方案中，形成模具进一步包含以相对于衬底成角度来形成第三侧壁的 一部分，所述角度比由第二侧壁形成的角度浅。在此些实施方案中的一些实施方案中，形成 在第三侧壁的所述部分上方具有较浅角度的第二部分的片段比第二部分的其余部分薄。
[0016] 在附图和下列描述中陈述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。 虽然主要根据基于MEMS的显示器描述
【发明内容】
中提供的实例，但是本文中提供的概念也 可应用于其它类型的显示器（例如，液晶显示器（IXD)、有机发光二极管（OLED)显示器、电 泳显示器及场发射显示器）以及其它非显示器MEMS装置（例如，MEMS麦克风、传感器及光 学开关）。其它特征、方面和优点将自描述、图式和权利要求变得显而易见。注意下列图的 相对尺寸可未按比例绘制。
【附图说明】
[0017] 图IA展不直视基于MEMS的显不设备的实例不意图。
[0018] 图IB展示主机装置的实例框图。
[0019] 图2展示说明性基于快门的光调制器的实例透视图。
[0020] 图3A展示控制矩阵的实例示意图。
[0021] 图3B展示连接到图3A的控制矩阵的基于快门的光调制器阵列的实例透视图。
[0022] 图4A和图4B展示双致动器快门组合件的实例视图。
[0023] 图5展示并有基于快门的光调制器的显示设备的实例截面图。
[0024] 图6A到6E展示实例复合快门组合件的建构阶段的截面图。
[0025] 图7A到7D展示具有窄侧壁梁的实例快门组合件的建构阶段的等角视图。
[0026] 图8A到8C展示具有第一尖端间隙调整特征的实例快门组合件的各种视图。
[0027]图8D展示包含第一尖端间隙调整特征的另一实例快门组合件的俯视图。
[0028] 图9A到9H展示具有第二尖端间隙调整特征的实例快门组合件的各种视图。
[0029] 图IOA到IOC展示具有第三尖端间隙调整特征的实例快门组合件的各种视图。
[0030]图11展示用于形成具有尖端间隙调整特征的快门组合件的实例过程的流程图。
[0031] 图12A和12B展示说明包含一组显示元件的显示装置的实例系统框图。
[0032] 在各种图式中，相同的参考数字和符号指示相同元件。
【具体实施方式】
[0033] 下列描述是针对用于描述本发明的创新方面的目的的某些实施方案。但是，本领 域普通技术人员应不难认识到，本文中的教示可以许多不同方式应用。所描述的实施方案 可在可经配置以显示无论是动态（例如，视频）或静态（例如，静止图像）及无论是文字、 图形或图片的图像的任何装置、设备或系统中实施。更特别来讲，预期所描述的实施方案 可包含在多种电子装置中或与多种电子装置相关联，所述电子装置例如（但不限于）：移动 电话、启用多媒体因特网的蜂窝式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、Bluetooth?) 装置、个人数据助理（PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本 电脑、智能本、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真装置、全球定位系统（GPS)接收器 /导航器、相机、数字媒体播放器（例如，MP3播放器）、摄录像机、游戏控制台、腕表、时钟、 计算器、电视监控器、平板显示器、电子阅读装置（例如，电子阅读器）、计算机监控器、汽车 显示器（包含里程表及速度计显示器等）、驾驶舱控制装置和/或显示器、相机视图显示器 (例如，车辆中的后视相机的显不器）、电子相册、电子广告牌或标志牌、投影仪、建筑结构、 微波炉、冰箱、立体声系统、卡带录像机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音机、便携 式存储器芯片、洗衣器、干衣器、洗衣/干衣器、停车定时器、包装（例如，在包含微机电系统 (MEMS)应用的机电系统（EMS)应用以及非EMS应用中）、美学结构（例如，一件珠宝或衣服 上的图像的显示）和多种EMS装置。本文中的教示也可用于非显示器应用中，例如（但不 限于）电子切换装置、射频滤波器、传感器、加速度计、陀螺仪、运动感测装置、磁力计、消费 型电子装置的惯性组件、消费型电子装置产品的部件、变容二极管、液晶装置、电泳装置、驱 动方案、制造过程及电子测试装备。因此，所述教示并不意欲限于仅在图式中描绘的实施方 案，而是如本领域普通技术人员将容易显而易见般具有广泛适用性。
[0034] 机电系统（EMS)静电致动器的两个相对梁电极之间的最小分离距离可通过在所 述梁中的一者上引入机械应力以导致其朝向其相对梁弯曲而减小。在一些实施方案中，梁 电极中的一者形成为伸长形环状物的形状。也就是说，第一部分延伸远离锚，并且在一段距 离之后往回弯曲以使得第二部分往回延伸朝向锚并耦合到锚。通过在第二部分（即，更远 离相对梁的部分）上引入应力或应力梯度，可使梁朝向相对梁弯曲。
[0035] 在一些实施方案中，可通过形成梁以使得第二部分的厚度沿着其长度而变化来引 入这个应力或应力梯度。在一些实施方案中，梁的第二部分的厚度的变化通过在建构于衬 底上的模具的侧壁上形成第二部分而达成。模具的一些侧壁经配置以具有与衬底所成的比 由模具的其余侧壁形成的角度浅的角度。这导致形成在这些浅角度侧壁上的第二部分的一 部分比第二部分的其余部分薄。归因于这种厚度变化，第二部分可产生某种量的应力或应 力梯度。结果，当梁从模具释放时，这个应力或应力梯度导致梁朝向相对梁弯曲。
[0036] 在一些其它实施方案中，梁的第二部分包含一或多个大致U形梁区域。沿着这些 大致U形梁区域的梁材料比邻近这些U形梁区域的梁材料薄。这导致应力或应力梯度，其 可引致U形梁区域的扩张。U形梁区域的扩张导致梁的端部朝向相对梁弯曲。
[0037] 在一些其它实施方案中，通过将梁的第二部分的一部分耦合到处于机械应力下的 另一表面来引入应力或应力梯度。举例来说，在一些制造过程中，沉积在平行于下伏衬底的 表面上的材料可在表面的平面内产生机械应力或应力梯度。这个应力或应力梯度可导致表 面在平行于衬底的方向上扩张。通过将表面耦合到梁的第二部分，表面的扩张可导致梁朝 向相对梁弯曲。
[0038] 可实施本发明中描述的标的物的特定实施方案以实现一或多个下列潜在优点。通 过在致动器的驱动梁电极的一部分中引入机械应力或应力梯度，可减小驱动梁电极与相对 负载梁电极之间的尖端间隙。尖端间隙的这种减小允许致动包含致动器的快门组合件所需 的致动电压的减小。在一些实施方案中，致动电压的减小可高达大约50%。致动电压的减 小允许操作快门组合件所需的电力的减小。
[0039] 图IA展示直视基于MEMS的显示设备100的示意图。显示设备100包含布置成行 与列的多个光调制器l〇2a到102d( -般来讲"光调制器102"）。在显示设备100中，光调 制器102a和102d是在敞开状态中，允许光通过。光调制器102b和102c是在闭合状态中， 阻碍光通过。通过选择性地设定光调制器102a到102d的状态，可利用显示设备100以在 通过一盏灯具或若干灯具105照明的情况下形成背光显示器的图像104。在另一实施方案 中，设备100可通过反射源自所述设备前面的周围光来形成图像。在另一实施方案中，设备 100可通过反射来自定位于所述显示器前面的一盏灯具或若干灯具的光（即，通过使用前 光）来形成图像。
[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可包含三色特定光调制器102。通过选择性地敞开对应于特定像素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106两个或两个以上光调制器102以提供图像104中 的照度水平。关于图像，"像素"对应于由图像分辨率定义的最小图像元素。关于显示设备 100的结构组件，术语"像素"是指用以调制形成图像的单一像素的光的组合机械和电组件。
[0041] 显示设备100是直视显示器，因为其可不包含通常在投影应用中发现的成像光学 装置。在投影显示器中，将形成于显示设备的表面上的图像投影到屏幕上或墙壁上。显示 设备实质上小于所投影的图像。在直视显示器中，用户通过直接观看显示设备而看见图像， 所述显示设备含有光调制器和任选地用于增强在显示器上看见的亮度和/或对比度的背 光或前光。
[0042] 直视显示器可以透射或反射模式操作。在透射显示器中，光调制器过滤或选择性 地阻断源自定位在显示器后方的一盏灯具或若干灯具的光。来自所述灯具的光任选地注入 到光导或"背光"中，以使得可均匀照明每一像素。透射直视显示器通常建置到透明或玻璃 衬底上以促进夹层组合件布置，其中含有光调制器的一个衬底直接定位在背光的顶部上。
[0043] 每一光调制器102可包含快门108及光圈109。为照明图像104中的像素106,定 位快门108以使得允许光穿过光圈109朝向观看者。为使像素106保持未照亮，定位快门 108以使得其阻碍光穿过光圈109。通过经图案化穿过每一光调制器102中的反射或光吸 收材料的开口来限定光圈109。
[0044] 显示设备也包含连接到衬底和光调制器以控制快门的移动的控制矩阵。所述控制 矩阵包含一系列电互连件（例如，互连件110、112及114)，包含每行像素至少一个写入启 用互连件110(也称为"扫描线互连件"）、针对每列像素的一个数据互连件112和将共同电 压提供到全部像素或至少提供到来自显示设备100中的多列和多行的像素的一个共同互 连件114。响应于施加适当电压（"写入启用电压VWE"），针对给定行的像素的写入启用互 连件110准备所述行中的像素以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 接促成快门的静电移动。在一些其它实施方案中，数据电压脉冲控制开关（例如，晶体管或 其它非线性电路元件），所述开关控制量值通常高于数据电压的单独致动电压到光调制器 102的施加。接着，施加这些致动电压导致快门108受静电驱动而移动。
[0045] 图IB展示主机装置120(即，蜂窝式电话、智能电话、PDA、MP3播放器、平板计算机、 电子阅读器、上网本、笔记本电脑等等）的框图的实例。主机装置120包含显示设备128、主 机处理器122、环境传感器124、用户输入模块126和电源。
[0046] 显示设备128包含多个扫描驱动器130 (也称为"写入启用电压源"）、多个数据驱 动器132 (也称为"数据电压源"）、控制器134、共同驱动器138、灯具140到146、灯具驱动 器148和显示元件（例如，图IA中所示的光调制器102)阵列150。扫描驱动器130将写入 启用电压施加到扫描线互连件110。数据驱动器132将数据电压施加到数据互连件112。
[0047] 在显示设备的一些实施方案中，数据驱动器132经配置以将模拟数据电压提供到 显示元件阵列150,尤其在图像104的照度水平将以模拟方式导出的情况下。在模拟操作 中，设计光调制器102以使得在经由数据互连件112施加一定范围的中间电压时导致快门 108中的一定范围的中间敞开状态和因此图像104中的一定范围的中间照明状态或照度水 平。在其它情况下，数据驱动器132经配置以仅将缩减组的2、3或4个数字电压电平施加 到数据互连件112。这些电压电平经设计以依数字方式向快门108中的每一者设定敞开状 态、闭合状态或其它离散状态。
[0048] 扫描驱动器130和数据驱动器132连接到数字控制器电路134(也称为"控制器 134")。所述控制器以几乎串行方式将按根据行和图像帧分组的序列（在一些实施方案中， 所述序列可为预定的）所组织的数据发送到数据驱动器132。数据驱动器132可包含串 联-并联数据转换器、电平移位，并且对于一些应用来说包含数字-模拟电压转换器。
[0049] 显示设备任选地包含一组共同驱动器138 (也称为共同电压源）。在一些实施方案 中，共同驱动器138(例如）通过供应电压给一系列共同互连件114而将DC共同电位提供 到显示元件阵列150内的全部显示元件。在一些其它