专利名称：具有抗静摩擦凸块、集成微透镜、及反射吸收层的自封装光学干涉显示装置的制作方法
背景技术：
几乎所有的常规显示器本质上都是有源的。这意味着必须对显示器连续供电以维持其正在显示的图像。该常规显示器包括直观式和投影式阴极射线管(CRT)显示器、直观式和投影式液晶显示器(LCD)、直观式等离子体显示器、投影式数字光线处理(DLP)显示器、以及直观式电致发光(EL)显示器等。
由于必须连续地对这些类型的显示器供电，这可能成为供电甚为重要的装置诸如类似膝上型及笔记本计算机的便携式装置、个人数字助理(PDA)装置、无线电话、以及其它类型便携装置中电源使用的重要原因。因此，这些装置的设计者通常选择增加该装置中所包括的电池尺寸，由此增大重量和成本，或者选择降低电池充电之间该装置的工作时间。
因此，由于这些原因及其它原因而需要本发明。
发明概述本发明一个实施例的电子装置至少部分显示一可显示图像的像素。该装置包括在其间定义光学谐振腔的第一反射器和第二反射器，该光学谐振腔对于特定强度的可见波长具有选择性。该装置包括允许改变该腔的光学性能的机构，使得可依照可显示图像的像素可变化地选择可见波长和/或强度。该装置还包括一个或多个透明沉积薄膜，一个或多个吸收层、集成微透镜、和/或一个或多个抗静摩擦凸块。沉积薄膜位于该反射器之一上，用于自封装该电子装置。该吸收层位于该反射器之一上，用于减小不需要反射。该集成微透镜位于该反射器之一上，该抗静摩擦凸块位于该反射器之间。
附图简述在此被参考的附图构成了说明书的一部分。除非明确地指出，否则附图所示特征旨在阐述本发明部分实施例而非本发明的全部实施例，并且不进行相反的暗示。
图1A为根据本发明实施例，用于至少部分显示可显示图像的像素的电子装置。
图1B、1C、及1D为根据本发明变化实施例，用于控制存储在图1A的电子装置上的电荷的不同方法图示。
图2A和2B为根据本发明变化实施例，代表图1A的电子装置的光谱响应的图示。
图3A为根据本发明实施例，无源像素机构阵列的图示。
图3B为根据本发明实施例，显示装置的截面图。
图4为根据本发明实施例的使用方法。
图5为根据本发明实施例，比图1A的电子装置更为具体但与其相一致的电子装置的图示。
图6为根据本发明实施例的制造方法。
图7A、7B、及7C为根据本发明变化实施例，比图1A的电子装置更为具体但与其相一致的电子装置的图示。
图8A和8B为根据本发明变化实施例，比图1A的电子装置更为具体但与其相一致并包括透镜的电子装置的图示。
图9A、9B、及9C为根据本发明实施例，示意性描述如何在图1A的电子装置内制作抗静摩擦凸块的图示。
图10A、10B、及10C为根据本发明另一个实施例，示意性描述如何在图1A的电子装置内制作抗静摩擦凸块的图示。
发明详述在本发明示例实施例的下述详细描述中，参考了构成本发明一部分的附图，在这些附图中示出了可用于实施本发明的特定示例实施例。这些实施例得到足够详细的描述，使得本领域技术人员可实践本发明。在不离开本发明的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例，或者进行逻辑、机械、及其它改变。因此下述详细描述不应被看作是限制本发明，本发明的范围由所附权利要求书限定。
概述图1A示出了根据本发明实施例，用于至少部分显示可显示图像的一个像素的电子装置100。装置100包括顶部反射器102和底部反射器104以及弯曲部分(flexure)110和弹簧机构112。光学谐振腔106由反射器102及104定义，其具有不同的厚度或宽度108。在一个实施例中，顶部反射器102是高度反射的，例如完全反射。在一个实施例中，底部反射器104是半透明的，即底部反射器104在一个实施例中是半反射的。在本发明的一个实施例中，弹簧机构112可以是具有线性或非线性弹簧功能的柔性材料，例如聚合物。
光学谐振腔106通过光学干涉可变化地选择某一强度的可见波长。根据电子装置100的预期配置，光学谐振腔106可反射或透射该强度的波长。也就是说，腔106实际上可以是反射型或透射型。光学谐振腔106不产生任何光线，使得装置100依靠环境光线或依靠由光学谐振腔106反射或透射的由装置100提供的光线。由光学谐振腔106选择的可见波长以及由光学谐振腔106选择的该波长的强度依赖于腔106的厚度108。即，通过控制厚度108可将光学谐振腔106调谐成预期的波长及预期的强度。
通过允许底部反射器104移动，弯曲部分110和弹簧机构112允许腔106的厚度108发生改变。更为普遍地，弯曲部分110和弹簧机构112组成了一种机构，该机构允许光学谐振腔106的光学性能改变，从而可变化地以特定强度选择某一可见波长。该光学性能包括腔106的光学指数和/或腔106的光学厚度。施加在反射器102及104之间的电压或者存储于反射器102及104上的电荷导致腔106的厚度108改变，这是因为弯曲部分110和弹簧机构112允许反射器104移动。因此，弯曲部分110具有刚性，弹簧机构112具有弹簧恢复力，使得对反射器102及104所施加的电压或者存储在反射器102及104上的电荷导致弯曲部分110和弹簧机构112屈服并允许反射器104移动，从而获得预期的厚度108。维持给定的厚度108时不耗散任何功率。
在一个实施例中，底部反射器104维持在固定电压，顶部反射器102被设置成取决于预期可见波长和预期强度的电压，该电压按弯曲部分110的刚性得到校准。尽管弯曲部分110在图1A的实施例中被示成置于底部反射器104之下，在其它实施例中弯曲部分110可能置于底部反射器104之上。在其它实施例中，弯曲部分110可以置于顶部反射器102之上，也可以置于底部反射器102之下，使得底部反射器104而非顶部反射器102是可移动的，从而调整光学谐振腔106的厚度108。此外，在另一个实施例中，光学谐振腔可能不止一个，使得光学谐振腔106包括不止一个这种腔。
在一个实施例中，底部反射器104和顶部反射器102可以被看成电容器的极板，其中光学谐振腔106代表其间的电电介质。由于弯曲部分110及弹簧机构112，施加在底部反射器104和顶部反射器102之间的电势移动底部反射器104，但也导致电荷被存储在该电容器中。正是该静电荷随后允许维持给定厚度108，而无需在底部反射器104及顶部反射器102上施加任何其它的电压。
光学谐振腔106所选择的波长及强度和可显示图像的像素相对应。因此，电子装置100至少部分显示该图像的像素。电子装置100可操作于模拟方式或数字方式。作为模拟装置，电子装置100选择和该像素颜色的颜色和强度相对应的可见波长的光线和强度。在备选实施例中，电子装置100可用于以模拟方式将像素显示成黑白或灰度级，而不是显示成彩色。
作为数字装置，电子装置100负责该像素的红色、绿色、或蓝色分量。装置100维持静态可见波长，为红色、绿色、或者蓝色，并改变和该像素的红色、绿色、或蓝色分量相对应的该波长的强度。因此，数字地显示该像素需要三个装置100，其中一个装置100选择红色波长，另一个装置100选择绿色波长，第三个装置100选择蓝色波长。更为普遍地，该图像的像素或部分图像的每个彩色分量都有一个装置100。此外，在备选实施例中，电子装置100可用于以数字方式将该像素显示成黑白或灰度级，而不是显示成彩色。
可变化地选择波长和强度的光学干涉电子装置100的光学谐振腔106利用光学干涉透射或反射地选择特定强度的某个波长。光学谐振腔106在一个实施例中为光程长度等于厚度108的薄膜。光线从位于腔106的任一侧上的反射器102及104的界面反射，自身发生干涉。入射束及其反射图像之间的相位差为k(2d)，其中d为厚度108，这是因为反射束在腔106内传播的距离为2d。因为k＝2π/λ，则当d＝λ/2时，入射波和反射波之间的相位差为k2d＝2π，产生相长干涉。所有π/2的倍数即光学谐振腔106的模式都被透射。于是光学干涉的结果为，光学谐振腔106对波长为λ/2整数倍的光线的透射最大，而对波长为λ/4奇整数倍的光线的透射最小。尽管上述计算抓住了基于干涉的光调制的主要机构，但理想地应进行更严格的电磁模拟以更准确地描述实际的装置性能。
在一个实施例中，顶部反射器102包括薄的部分透射金属薄膜，其中n-ik＝2.5-2.5i(钛)，其中n代表腔106的实光学指数，k代表腔106的虚光学指数。在该实施例中，吸收和干涉都对调制输出的颜色和强度有作用。光学谐振腔106为可调整的隔板，底部反射器104为高反射的金属衬底，例如铝。在一个实施例中，其中装置100为数字式，光学谐振腔106可选择6100埃()的红光波长、5500的绿光波长、或者4500的蓝光波长，强度取决于待显示像素的相应彩色分量。此外，光学谐振腔106可实现低的反射或透射。在该后一种状态中，光学谐振腔106为所谓的“暗镜”，可优化成反射或透射低于百分之五。
例如，在该实施例中，根据下表，底部反射器104的入射n为1.5，顶部反射器102的衬底n为1.52时，底部反射器104、光学谐振腔106、以及顶部反射器102的薄膜堆叠顺序可获得6100的红光波长
类似地，根据下表，顶部反射器102的入射n为1.5，底部反射器104的衬底n为1.52时，该薄膜堆叠顺序可获得5500的绿光波长
根据下表，顶部反射器102的入射n为1.5，底部反射器104的衬底n为1.52时，该薄膜堆叠顺序还可获得4500的蓝光波长
因此，该薄膜堆叠顺序根据光学谐振腔106的厚度是否分别为2750、2500、或2000可获得6100的红光波长、5500的绿光波长、或者4500的蓝光波长。
最后，根据下表，顶部反射器102的入射n为1.5，底部反射器104的衬底n为1.52时，该薄膜堆叠顺序可获得低的反射或低的透射
这导致暗灰色几乎为黑色的输出，其中光学谐振腔106的厚度为400。通过调整像素保持有色状态或黑色状态的时间长度的比例，可以获得大范围的平均色调和强度。
控制光学谐振腔的厚度已经指出，当在反射器102及104上施加适当的电压时，弯曲部分110和弹簧机构112允许光学谐振腔106的厚度108发生变化，从而选择预期强度的预期波长。根据下述方程确定该电压，该方程为充当平行板电容器极板的反射器102及104之间的吸引力，且该方程未考虑弥散场F=ϵ0V2A2d2---(1)]]>其中εx为自由空间的介电系数，V为反射器102及104上的电压，A为每个反射器102及104的面积，d为厚度108。因此，厚度108为0.25微米时，在100平方微米的像素上施加1伏特的电势可产生7×10-7牛顿(N)的静电力。
因此，反射器102及104之间施加小电压所提供的力足以移动底部反射器104，并保持底部反射器104抵抗重力和震动。一旦施加了电压，由定义腔106的反射器102及104所产生的、存储于电容器中的静电荷足以将底部反射器104保持在适当的位置而无需额外的功率。然而，电荷泄漏要求不定期地更新该电荷。
方程(1)所定义的力与弹簧机构112所提供的线性弹簧力相平衡F＝k(d0-d) (2)其中k为线性弹簧常数，d0为厚度108的初始值。当值(d0-d)位于零和d0/3之间时，方程(1)和(2)的力处于稳定平衡的范围。(d0-d)＞d0/3时，方程(1)的静电吸引力大于方程(2)的弹簧力，使得反射器104合到(snap to)反射器102，这种情况是不需要的。出现这种现象的原因为，当反射器104超出d0/3的位置时，由于电容增大而使得过多电荷被吸引到反射器102及104上，这反过来增大了方程(1)的、反射器102及104之间的吸引力，导致反射器104拉近反射器102。
为了克服这种限制，方程(1)的反射器102及104之间的力可改写成电荷的函数
F=-Q22ϵA---(3)]]>其中Q为该电容器上的电荷。因此，力F现在不是距离d的函数，反射器104在0至d0的整个范围上都具有稳定性。换而言之，通过限制反射器102及104上电荷的数量，可将反射器104的位置设定在整个传输范围上。
尽管前述段落的描述是针对理想的平行板电容器以及理想的线性弹簧恢复力，但本领域技术人员可了解到，所述原理可适用于其它配置，例如非线性弹簧以及其它类型的电容器。消除或减小出现反射器104粘着反射器102这一现象的操作范围，使得模拟操作或非接触的离散操作更为实用，而无需限制出现粘着现象时颜色的数目。也就是说，因为可用的范围得到增大，可以获得更多的颜色、饱和电平和强度。
此外，在一个实施例中，通过以特殊方式构建弯曲部分110，可以增大非接触操作时不出现粘着的范围。该特殊方式是这样的弹簧机构112的恢复力为弯曲部分110的位移的非线性函数，且该恢复力增加的速率大于该位移的增加速率。通过增加弯曲部分110的厚度，或者通过采用先弯折后拉伸的弯曲部分，即称为“弯折和拉伸”设计，可以实现上述方式。
此外，装置100可在厚度108的值更小的情形下操作，使得在反射器102及104的任何部分不互相接触的情况下可获得黑色状态。这阻止了反射器102及104互相接触时出现的粘着和附带的滞后。即使允许反射器102及104互相接触，当反射器102及104上电荷的数量得到明确地控制时(即，控制预定数量的固定电荷)，反射器102及104之间的电压差将更小，这和明确地控制反射器102及104之间的电压的情形相反。这有利地降低了隔离反射器102及104(定义光学谐振腔106)的电电介质的静电击穿，还可降低会增大静摩擦的反射器102及104之间的静电力以及对用于减小反射器102及104之间表面积的任何抗静摩擦支座的磨损。
控制反射器上的电荷图1B、1C、及1D示出了根据本发明的不同实施例，与明确地控制反射器102及104之间的电压相反，控制电子装置100的反射器102及104上电荷数量的不同方法。如已经在详细描述的前述部分中描述的，通过控制存储在反射器102及104上的电荷而调整反射器102及104之间的厚度108。反射器102及104因此充当平行板电容器的极板。
在图1B中，利用电耦合到反射器102及104的电流积分机构120，通过在已知的时间上积分已知的电流，由此将受控或预定数量的电荷注入到反射器102及104上。因此可以操纵电流I、时间t、或同时操纵电流和时间，从而产生预期数量的电荷。机构120可包括电流源、数模电流源、和/或时间分割电路，以创建预期电荷电平。
在图1C中，反射器102及104可获得的电荷受到限制，从而防止反射器102及104粘着到一起。在利用分压电路129的本发明一个实施例中明确地实现了这一点。电路129包括和电容器134串联的电压源。开关132控制电路129的开启和闭合操作。和电压源130及电容器134并联的开关136充当重置开关，可用于避免由于电荷泄漏引起的电压或电荷随时间的漂移。理想地，应以比电路129的机械响应时间更快地执行该重置。
在弯曲部分110的线性范围内，如果C＜Cinit′/2，则稳定传输的范围可扩展到光学谐振腔106的整个初始厚度108，其中C为电容器134的电容，Cinit′为由反射器102及104和光学谐振腔106形成的可变电容器的初始电容。随着电压源130的电压增大，在该可变电容器及电容器134之间共享最终电荷，从而至少基本上消除粘着。本领域技术人员会了解到，该原理可以应用于除了平行板电容器及线性弹簧恢复力之外的其它配置，例如非线性弹簧以及除了平行板电容器之外的电容器。
在图1D中，使用填充-溢出电路131，采用称为填充-溢出的方法控制反射器102及104上的电荷。开关136闭合和断开，从而使得由反射器102及104和光学谐振腔106形成的可变电容器放电。电路131的开关138随后断开，开关132则闭合，从而对固定电容器134充电。即，电容器134被“填充”。接着，开关132断开，开关138闭合，使得电容器134将其电荷与该可变电容器分享。即，电容器134“溢出”其电荷。反射器102及104上的电荷达到稳定值，即使其依赖于光学谐振腔106的厚度108。电压源130因此提供了受控电荷，以维持预期的厚度108。
高阶间隙在发明详述的前述部分中描述的，在本发明一个实施例中根据一阶间隙，透射或反射地选择在预期强度的波长。也就是说，调整光学谐振腔106的间隙，即光学谐振腔106的厚度108，从而控制光线的干涉一阶波长。然而，随着光学谐振腔106的厚度108的增大，反射峰移动至更长的波长，且附加的高阶峰移动到该光谱区域。
电子装置100的光谱带宽由反射器102及104使用的薄膜的光学常数、它们的厚度、以及反射器102及104之间的光学谐振腔106的厚度108确定。在该情形中，电子装置100充当所谓的法布里-珀罗基的光调制器。反射光的光谱纯度或饱和度由装置100的光谱带宽确定，必须在峰值反射、光谱带宽、黑色状态反射、以及白色状态的光学效率之间进行折衷。
在下述情形中出现反射法布里-珀罗调制器的峰值反射2nd＝mλ (4)其中，和前述相同，n为间隙指数，d为光学谐振腔106的厚度108，m为表示干涉阶数的非负整数，λ为光波长。方程(4)说明了干涉的简单模型。注意，光学薄膜这一技术领域内的普通技术人员会了解到，对装置100内的所有材料常数及界面进行严格的电磁模拟可以更为精确地对真实反射谱进行模型化。
高阶峰值呈现更窄的光谱带宽，因此饱和度增大。绿色状态的光谱带宽在确定饱和度中的意义尤其显著，这是因为绿光波长中及其周围的波长与人眼的蓝色和红色灵敏度曲线交叠。通过将峰值光谱波长远离相邻的颜色响应曲线并移到光谱的相对不敏感的部分，可以改善红色和蓝色饱和度，而绿光不可能实现这一点。使光谱带宽变窄以提高绿光饱和度因此存在限制显示器亮度的问题，这是因为人眼的峰值灵敏度位于绿光区域，导致白色电平的降低以及总体对比度的下降。
为了克服该限制，必须增大厚度108以产生二阶或者更为普遍地高阶颜色，而不是一阶颜色。图2A示出了根据本发明实施例的典型的一阶绿光光谱响应226以及典型的绿光二阶光谱响应228。y轴224表示反射，该反射是x轴222上的波长的函数。二阶响应228具有更窄的光谱带宽，且颜色饱和度得到改善。因此，可以在本发明一个实施例中使用该二阶响应228以获得增大的饱和度和彩色分量，而不使用一阶响应226。在另一个实施例中，使用二阶响应228以获得增大的饱和度，而使用一阶响应226以获得增大的亮度和白色电平。
对于蓝光到绿光，二阶响应典型地可以改善颜色饱和度。图2B示出了根据本发明实施例的二阶蓝光光谱响应242的图示240。和前述相同，图示240的y轴224表示反射，该反射为x轴222上的波长的函数。和使用一阶蓝光光谱响应相比，二阶蓝光响应242提供了增大的饱和度。然而，二阶红光光谱响应244的用处稍少，这是因为三阶蓝光光谱响应246开始进入可见光谱范围。
显示装置及其使用方法图3A示出了根据本发明实施例的无源像素机构200的阵列。无源像素机构200包括机构200A、200B、...、200N，这些机构被排列成列202和行204。每个像素机构200依照可显示的图像通过光学干涉和吸收可变化地选择强度一定的可见波长。像素机构200在本发明一个实施例中可被看作用于执行该功能的设备。机构200是无源的，这是因为它们本身并不产生光线，而是反射或者透射环境光线和/或补充光线。
在一个实施例中，每个无源像素机构200包括一个或者多个电子装置100。因此，一个像素可包括一个或多个装置100。无源像素机构200以模拟方式显示可显示图像的相应像素时，每个机构200可仅包括一个电子装置100，这是因为单个装置100基本上可以显示任意强度的任意颜色。机构200以数字方式显示相应像素时，每个机构200可包括三个电子装置100，红色分量、绿色分量、以及蓝色分量各使用一个该电子装置100。
图3B示出了根据本发明实施例的显示装置300的截面图，其包括了无源像素机构200的阵列。可选的补充光源304输出光线，机构200反射该光线。存在光源304时，机构200反射光源304所提供的光线，也反射环境光线。当没有光源304时，机构200反射环境光线。在图3B的实施例中示出了光源304，使得该光源输出光线被机构200反射。在另一个实施例中，光源304可位于机构200的后面，使得机构200透射光源304输出的光线。
控制器302控制像素机构200，从而有效地将像素化的可显示图像提供给像素机构200。也就是说，在每个机构200包括一个或者多个电子装置100的实施例中，控制器302改变每个装置100的腔106的厚度108，使得像素机构200恰当地着色该图像，而将其显示给用户308。控制器302因此电学地或以其它方式调整光学谐振腔106的厚度108，其中一旦调整好厚度108后，由弯曲部分110维持厚度108。
控制器302从图像源306以像素化或非像素化方式接收可显示的图像。如果是非像素化，或者如果是并不基于一对一地和无源像素机构200的阵列相对应的像素化，则控制器302本身将该图像划分成和无源像素机构200的阵列相对应的像素。图像源306本身可如图3B实施例所示的位于显示装置300的外部，或者位于该显示装置的内部。图像源306因此可以为位于显示装置300外部的桌上型计算机、个人数字助理(PDA)装置、无线电话、或者显示装置300为其部件的其它装置。
图4示出了根据本发明实施例，用于诸如图3B的显示装置300的显示装置的使用方法400。首先，可显示图像被划分成多个像素(402)，形成像素化可显示图像。可选地提供光线(404)以补充任何环境光线。对于该图像的每个像素，如前所述地，通过光学干涉和吸收(406)选择响应强度的响应可见波长。可以以数字方式或模拟方式选择响应强度的响应波长，这也已经得到描述。
特定的电子装置及其制造方法图5示出了根据本发明实施例的，用于至少部分显示可显示图像的相应像素对的一对电子装置500A和500B。电子装置500A和500B均为图1A的电子装置100的特殊实施例，因此图1A的描述同样也适用于图5。此外在本发明的一个实施例中，电子装置500A和500B可分别用于实现图3A的各个无源像素机构200。图5的下述描述具体参考了电子装置500A，但同样适用于电子装置500B。此外，为了阐述清楚，图5未按比例绘制。
底部反射器104置于硅衬底502上，更为普遍地该反射器是导电反射层。在底部反射器104上存在薄的电电介质504，用于防止反射器102短路。在顶部反射器102和底部反射器104之间定义光学谐振腔106，其中顶部反射器102更为普遍地也是导电反射层。置于顶部反射器102上的弯曲部分110也称为弯曲部分层，充当顶部反射器102的柔性电极，并且维持顶部反射器102上的张力和允许反射器102移动。通过以模拟模式根据弯曲部分110的刚性校准电压，或者通过以数字模式提供对红色、绿色、和蓝色像素的变化厚度的终止，由此可以控制光学谐振腔106的间距。
可能是氧化物的电介质像素极板506部分覆盖弯曲部分110和顶部反射器102。在一个实施例中，电介质像素极板506宽度508的范围为40至100微米，高度510的范围为3至5微米。空气腔514围绕电介质像素极板506，并大于光学谐振腔106的相干长度以防止附加的干涉效应。空气腔514在一个实施例中的高度520范围为3至5微米。氧化物512及518代表用于定义空气腔514的附加层，其中在一个实施例中氧化物518的高度522也为3至5微米。
通孔516用于从空气腔514及光学谐振腔106中清除材料。例如，可以将多晶硅或另外的填充材料填充到空气腔514及光学谐振腔106的备用空间，但该材料随后被清除以实际形成腔514和光学谐振腔106。保护层524覆盖氧化物518，抗反射涂层(ARC)526覆盖保护层524。ARC 526是需要的，以避免光学谐振腔106本身内部不需要的相干作用。
图6示出了根据本发明实施例，制作诸如图5的电子装置500A或500B的电子装置或者具有多个该电子装置的显示装置的方法600。首先，底部金属反射器层设在硅衬底层(602)上。这可包括沉积并图形化底部金属反射器层。在图5中，底部金属反射器层为底部反射器104。接着，沉积氧化物电介质层(604)，该氧化物电介质层为薄的电电介质504。
沉积并图形化多晶硅或不同的填充材料(604)。多晶硅充当待形成的共振光学谐振腔的占位工具。在图5中，多晶硅因此占据了光学谐振腔106的空间。随后在该多晶硅上提供弯曲部分层和顶部金属反射器层(608)。这包括先沉积该弯曲部分层并随后沉积该顶部金属反射器层，或者先沉积顶部沉积反射器层再沉积该弯曲部分层，并图形化该弯曲部分层和该顶部金属反射器层。在图5中，该弯曲部分层为弯曲部分110，而顶部金属反射器层为顶部反射器102。
在该弯曲部分层及顶部金属反射器层上提供氧化物像素板层(610)。这包括沉积氧化物并图形化该氧化物。在图5中，该氧化物像素板层为电介质像素板506。随后在该氧化物像素板层上沉积附加的多晶硅或附加的填充材料，并对其进行构图(612)，从而用作待形成的空气腔的占位工具。在图5中，这样多晶硅占据了空气腔514的空间。氧化物层被沉积在该多晶硅上(614)，该氧化物层在图5中是氧化物518及512。
接着，定义穿过多晶硅的通孔(616)，在图5中用通孔616表示。随后除去先前沉积的多晶硅，从而定义共振光学谐振腔以及空气腔(618)。例如，通过执行各向同性的多晶硅清洗刻蚀可完成该清除。在图5中，这导致了光学谐振腔106及空气腔514的形成。最后，在该氧化物层上提供保护层(620)，并在该保扩层上提供抗反射涂层(622)。在图5中，该保护层为保护层524，该抗反射涂层为抗反射涂层526。
附加的特殊电子装置图7A和7B示出了根据本发明特殊实施例的图1A的电子装置100。图1A的描述因此也适用于图7A和7B。图7A和7B实施例的电子装置100更为普遍地为法布里-珀罗基装置。诸如微反射镜、法布里-珀罗装置、以及基于衍射装置的光学微机电系统(MEMS)装置的锯切和封装是困难的，这是因为MEMS元件的脆性和需要透明的封装。MEMS通常为具有诸如反射镜、液体传感器等的机械装置顶层的半导体芯片。晶片锯切为湿法处理，释放时可能损坏和/或沾污该精细装置。如果基于逐个芯片的进行锯切之后从牺牲层上释放该装置，则难度大且成本高。这种装置的封装通常包括将玻璃窗口键合到陶瓷或其它衬底上的包装上，执行该过程可能成本高且难度大，并使得该装置的尺寸大幅增大。图7A和7B的实施例的电子装置100克服了这些问题。
首先参考图7A，在包括前述的弯曲部分110、定义光学谐振腔106的反射层102及104、以及弹簧机构112的装置100的可移动元件上沉积牺牲材料704。在该衬底中用附图标记708表示的位置上沉积层702，并制作与该衬底的接触。在层702内图形化并刻蚀开孔706。使用本领域内已知的选择性释放化学物质(可以是干法或湿法工艺)，通过各向同性刻蚀来刻蚀掉牺牲材料704而释放该装置100。
接着参考图7B，随后将材料710沉积到开孔或通孔706内，从而为装置100提供密封环境。层702和材料710可以是透明电介质，或者是多层薄膜。材料710可同时起着抗反射涂层以及密封层的双重作用。使用诸如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)的技术时，可以获得真空或气密环境。当使用更高压力的环境时，可以采用更高压力的CVD。
然而，如果不需要真空密封，则材料710是可选的。即使没有材料710，仍可实现装置100的某些保护，因为非真空密封也有助于保护装置100免受水、沾污物、及微粒的影响。如果使用材料710密封开孔706，但理想地不密封整个表面时，可使用本领域内已知的光刻技术来图形化该材料并将其刻蚀掉。
此外，结合图7A和7B所述的过程允许在净化室内不采用常规的封装进行包装，使得该过程可以被描述成自封装。由于优选地在净化室内执行该过程且释放操作发生于保护腔之内，因此可提高产量。一旦这些腔被密封，可以在不损坏装置100的情况下锯切该芯片，这在该领域中是已知的。
图7C示出了根据本发明另一个特殊实施例的图1A的电子装置100。图1A的描述因此也适用于图7C。注意，有源光调制器区域与无源区域之比被称为孔径比。该无源区域包括像素之间的空间、支撑柱、弯曲部分区域等。从该无源区域反射的光线会增大黑色状态的反射，这会降低整体系统的对比度。图7C实施例的电子装置100通过包括吸收层或边界掩模722以覆盖该无源区域，从而减小该效应。已经结合图7B进行描述的自封装材料710为边界掩模722提供了衬底。和图7A及7B进行相同编号的图7C的元件和图7A及7B的对应元件相同，并且不在图7C中再次描述这些元件。
边界掩模722可包括各种不同的材料，包括吸收聚合物、可光成像的吸收聚合物、金属和/或电介质合成物、和/或基于干涉的感应吸收体。吸收聚合物典型地采用光敏抗蚀剂掩模及显影过程进行旋涂和成像。可直接使用本领域中已知的光刻技术来直接图形化可光成像的聚合物。称为金属陶瓷的金属和/或电介质合成物则是可以使用的其它材料，这些材料已经典型地被开发用作太阳光吸收体。该材料包括黑钼、黑钨、以及黑铬，并具有非常高的吸光率。此外，可以使用溅射或本领域中已知的蒸发技术来沉积这些材料。感应吸收器通过调整层厚度而最大化耗散层内的吸光率。感应吸收体相对较薄，例如小于1000。
图7C实施例的电子装置100适用于具有专用像素类型的三态操作。例如，可以为具有红、绿、黑颜色状态的第一类三态像素，或者可以为具有红、蓝、黑颜色状态的第二类三态像素。也可以为具有绿、蓝、黑颜色状态的第三类三态像素。因此，该操作的配置包括多组三态像素。组内的不同像素被设计成操作于不同的状态。由牺牲材料704的厚度控制不同的颜色状态。该配置可操作于数字模式，一个像素板或反射器位于非接触位置，在另外两个状态与顶部或底部电容器极板或反射器接触。和单间隙、双态配置相比，其优点在于不是由三个像素中的一个像素而是由三个像素中的两个像素产生颜色，从而形成亮度更高的颜色。
图7C的实施例的电子装置100还适用于双间隙、双电容器像素设计，其特征在于反射器102移动形成两个可变电容器，如现在所描述的。层720为层702下侧上的部分反射器，其位于反射器102之上。层720既用作部分反射器又充当电容器的极板。可以静电驱动反射器102使其向上接近层720，或向下接近反射器或电容器极板104。因此弹簧机构112向两个方向偏转，和仅沿一个方向偏转的情形相比，只要前进距离其平衡位置大约一半时即可覆盖相同的完整行程。前进范围的增大启动了像素可产生多种颜色、多种饱和、以及黑色的操作模式。通过清除牺牲材料106形成的腔用作一个间隙，光学谐振腔704用作该设计中的另一个间隙。
这种设计可工作在至少两种不同的操作模式。例如，在一种操作模式中，各个像素能够创建彩色显示所需的多种颜色或强度。该像素在一个或两个间隙极端操作于接触模式，否则操作于非接触模式。作为另一个实例，在另一种操作模式中，可以在没有操作于接触模式的情况下获得多个色调和强度。
此外，图7A、7B、和7C的任一实施例的电子装置100适用于单间隙、双模式(或多电平)操作，其中该模式包括反射器102及104之间的接触以及反射器102及104之间的非接触。每个像素能够创建彩色显示所需的多种颜色和强度。该像素在一个间隙极端操作于接触模式，在其它状态操作于非接触模式。
当像素被专用于诸如红、绿、和蓝的特殊色调时，光线效率可能会降低，因为错误颜色的像素无法用于产生预期颜色。因此，优选地控制诸如模拟模式、多电平数字模式、或模数混合模式的非接触模式中像素的间隙，其中该间隙如前所述为图1A的厚度108。装置100可能需要厚度108小于1000以形成黑色，厚度108约为1800以形成蓝色，约为2800以形成红色。为了提供这些不同厚度，可以利用的单间隙、电压控制操作模式将操作于红色和蓝色之间的非接触模式，并随后允许该像素以数字模式切换到黑色状态。
图8A和8B示出了根据本发明的变化实施例，用于至少部分显示可显示图像的相应像素对的一对电子装置800A和800B。每个电子装置800A和800B为图1A的电子装置100的特殊实施例，因此图1A的描述同样适用于图8A和8B。注意，随着像素尺寸的减小，通常形成更小的孔径比。图8A和8B中进行相同编号的元件和图1A及7A-7C中的元件相同，因此不再对图8A和8B进行描述。此外，仅仅是为了阐述清楚，图8A和8B中并未示出图1A和7A-7C的所有元件。
在图8A中，采用涂敷或沉积技术，通过使用直接应用于单片MEMS装置800A和800B的集成透镜804A和804B，通过电子装置800A和800B可以克服孔径比降低的缺陷。沉积了初始层802之后，自封装层702为这些微透镜804A和804B提供了衬底。可通过使用已知的光刻技术来图形化光敏抗蚀剂或其它可光成像的聚合物，并随后采用热处理将这些图形部分流向预期的透镜剖面，这样可以制作透镜804A和804B。可保留该聚合物作为最后的透镜，或者可以用作掩模，以使用等离子体或反应离子刻蚀将透镜图形转移到底层802。通过将透镜804A和804B的形状和底下的像素相匹配，可以使透镜804A和804B的效率更高。
在图8B中，自封装层702本身用作简单形式的微透镜。该技术依赖于沉积物在反射器102上的覆盖率，从而在需要的像素无源区域上形成透镜效应。层702要有效地充当透镜，理想地应优化沉积厚度、像素间隙间距、以及像素板，或者反射器、厚度及剖面。图8B方法的优点在于，无需额外的透镜，而且只在需要时，在像素的无源区域周围才出现透镜效应。
抗静摩擦凸块当两个表面接触时，这两个表面经常会由于各种不同的力而互相吸引，例如范德瓦尔斯吸引力、化学键力、毛细作用力、以及克什米尔力(Casimir)。这些力通常会导致这些表面一旦接触就无法分开。因此，为了防止电子装置100的反射器102和104互相接触，在本发明的一个实施例中，在制作顶部反射器102之前在底部反射器104上放置了抗静摩擦凸块。
图9A、9B、及9C示意性描述了根据本发明一个实施例，在底部反射器104上制作抗静摩擦凸块的方式。在图9A中，已经存在电子装置100的弯曲部分110和底部反射器104。沉积牺牲材料902，随后在图9B中，对该牺牲材料图形化并部分刻蚀以产生凹陷904。随后则将诸如图9C的层906的后续各层沉积到凹陷904中以在凹陷904中形成凸块908。
图10A、10B、和10C示意性描述了根据本发明另一个实施例，在底部反射器104上制作抗静摩擦凸块的方式。在图10A中，和前述相同，已经存在电子装置100的弯曲部分110和底部反射器104。沉积第一牺牲材料910，该牺牲材料的厚度和预期的抗静摩擦凸块的高度相同。将材料910图形化并刻蚀以产生凹陷912。在图10B中，沉积第二牺牲材料914，从而获得完整的牺牲层厚度。最后，在图10C中，将诸如层916的后续各层沉积到凹陷912中以在凹陷912中形成凸块918。
结论注意，尽管在此已经阐述了特殊实施例，但本领域技术人员将了解到，可以用经过计算以达到相同目的的任何配置代替所示的特殊实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何改变或变形。例如，尽管主要是参考直接显示装置描述本发明的实施例，但其它实施例也适用于投影显示装置，所以显示像素这一术语参考了这两种情况以及附加的该显示情形。例如，在投影用途中，像素尺寸为10至20微米的量级。因此，明确地指出，本发明仅由权利要求书及其等效描述限定。
权利要求
1.用于至少部分显示可显示图像的像素的电子装置(100)，包括第一反射器(102)和第二反射器(104)，在其间定义光学谐振腔(106)并对特定强度的可见波长是选择性的；机构(112)，允许改变该光学谐振腔的光学性能，使得可依照该可显示图像的像素可变化地选择至少一个可见波长及强度；至少一个下述元件在该第一反射器和该第二反射器之一上用于自封装该电子装置的一个或多个透明沉积薄膜(710)；在该第一反射器和该第二反射器之一上用于减小不需要反射的一个或多个吸收层(722)；以及在该第一反射器和该第二反射器之一上的集成微透镜(804)；在该第一反射器和该第二反射器之间的一个或多个抗静摩擦凸块(908)。
2.权利要求1的电子装置，进一步包括电路(120)，用于控制该第一反射器和该第二反射器上的电压，使得该电压取决于其间的光学谐振腔的厚度。
3.权利要求1的电子装置，进一步包括用于控制该第一反射器和该第二反射器上的预定电荷数量的电路(120)，该电路包括电荷共享电容器。
4.权利要求1的电子装置，进一步包括用于控制电流源施加在该第一反射器和该第二反射器上的时间间隔的受控电流源和电路(120)。
5.权利要求1的电子装置，其中该第一反射器为顶部、半反射的反射器，该第二反射器为底部、高度反射的反射器。
6.权利要求1的电子装置，其中该机构允许改变该光学谐振腔的厚度。
7.权利要求1的电子装置，其中该机构允许移动该第一反射器和该第二反射器之一以允许改变该光学谐振腔的厚度。
8.权利要求1的电子装置，其中该机构包括可操作地耦合到该第一反射器和该第二反射器之一的弯曲部分。
9.权利要求1的电子装置，其中该光学谐振腔是数字式的，使得光学谐振腔为选择性的可见波长被固定成一彩色分量波长，并依照可显示图像的像素的相应彩色分量可变化地选择该彩色分量波长的强度。
10.权利要求1的电子装置，其中该光学谐振腔为反射选择性或透射选择性。
全文摘要
公开了本发明一个实施例的电子装置(100)，该装置至少部分显示一显示图像的像素。该装置包括在其间定义光学谐振腔的第一反射器(102)和第二反射器(104)，该光学谐振腔对特定强度的可见波长具有选择性。该装置包括机构(112)，该机构允许改变该光学谐振腔的光学性能，使得可依照可显示图像的像素而可变化地选择该可见波长和/或强度。该装置还包括一个或多个透明沉积薄膜(710)、一个或多个吸收层(722)、集成微透镜(804)、和/或一个或多个抗静摩擦凸块(908)。该沉积薄膜位于该反射器之一上，用于自封装该装置。该吸收层位于该反射器之一上，用于减小不需要反射。该集成微透镜位于该反射器之一上，该抗静摩擦凸块位于该反射器之间。
文档编号B81B3/00GK1781050SQ200480011408
公开日2006年5月31日 申请日期2004年4月29日 优先权日2003年4月30日
发明者A·皮尔, J·R·普日拜拉, A·L·戈泽伊尔, E·T·马丁 申请人:惠普开发有限公司