专利名称：显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机械和微制造装置的领域，特别是应用于利用微机械技术制造的显示装置以及利用微机械制造的光闸和光闸阵列。
背景技术：
一些微型显示装置可以产生用于显示而被光学投影的图像。目前的微型显示装置利用了透明LCD装置，反射LCD(LCOS)装置或者反射微镜面装置。每一种类型都有成本和性能的局限，特别是在屏幕上的光强度和明暗状态之间的对比度方面。微型显示装置除了对空间光调制的成像以外也可在多种场合中使用。因此常常需要更加有效的可以低成本制造的微型显示装置。
为了满足这种需求，利用MEMS技术研制出了新型的微型显示装置。MEMS技术可以将具有几微米量级特征的微型结构形成在适宜的硅或其它基底上。因此该技术可以用于在硅上形成可处理光的象素阵列装置。这些装置的阵列可以用于形成可提供高品质图像的微型显示装置。
目前大多数利用MEMS技术制造的微型显示装置包括下面两种反射装置A.根据微镜面所转换到的位置以稍微不同的角度反射光的微镜面装置；或者B.通过产生衍射光栅来控制光反射的反射带。
这两种反射性质的技术利用了和透射投影光学系统相比更加笨重且昂贵的投影光学系统。由于内在的收集光学引入(endue)和微型显示装置的引入(endue)的装配误差，在这种装置中还会产生收集损失(collection loss)。此外，在许多这种装置中，光束以某一角度入射到阵列上，导致图像失真。
发明内容
本发明的一些实施例的一个方面涉及具有非常小的显示元件的机电显示装置。
在本发明的实施例中，显示器包括许多象素，每个象素包括一个可机械翻转的平板，从而形成在表面上的平板处于关闭位置时，平行于该表面，或者该平板处于打开位置时，靠近表面的垂直方向。在本发明的实施例中，平板围绕一轴线旋转，视需要在该平板上形成有一个圆形的(但不是必须为圆形)轴。在本发明示例性的实施例中，该轴是一个水平轴。视需要，平板可以从一个大体上平行于(或者以比较小的锐角相对于)显示器的观察面的位置(关闭位置)翻转到一个大体上垂直于(或者以比较大的钝角相对于)观察面的位置(打开位置)。当平板大体上平行于基底时平板下面的区域是透明的，从而平板可用作光阀。
正如此处所使用的，术语“圆形的”表示通常为圆形形状的圆筒或刀口。该术语也包括通常的圆环形。还包括通常的椭圆形以及所有的六边形、五边形或八边形或具有更多数量的边的形状或者其中的一部分。还包括具有通常的圆形轮廓的阶梯层形式的形状。
正如此处所使用的，术语“大体上垂直于”表示处于90度+/-10度的角度，“大体上平行于”表示相对于基底表面不大于15度的角度。
在本发明的实施例中，平板沿轴线形成有一个轴，该平板围绕该轴旋转。轴可以是圆形，也可以是正方形。轴线大体上平行于基底的表面。视需要，该轴沿至少一个大体上与基底表面平行的滚动表面滚动。在本发明示例性的实施例中，物镜、轴和滚动表面是利用MEMS技术制造的、本发明的一些实施例的一个方面涉及一种在微机械显示器中翻转平板的方法。在本发明的实施例中，视需要对平板进行涂覆，并将其限定在两个稳定的位置。平板形成有一个轴，并且通常围绕该轴旋转(尽管也可以进行横向的移动)。轴与平板的边缘间隔开，并在平板主体部分的轴线的另一侧形成一个电气方式的导电“尾部”。为了翻转平板将电压施加在尾部下面的电极上，这样利用杠杆作用吸引尾部，然后通过使平板围绕轴旋转开始翻板动作。当平板到达垂直位置(即，安装在表面上的平板垂直于表面)时，关闭电压从而平板碰到一个用作机械止动器的表面。
视需要，浮置电极设置在表面的上方，和在平行于表面的稳定位置处的平板边缘的外侧。当从关闭位置翻转到打开位置(下文为打开)时，浮置电极具有下面两种功能或其中之一(1)在翻转之前将平板从底部升高成非静摩擦，其中平板放置在底部之上；(2)防止翻转动作。通过在浮置电极上施加电压，吸引并升高乎板，同时利用翻转电极防止平板旋转，可以实现这些功能。当关闭浮置电极上的电压时，翻转电极使平板翻转。视需要，当从打开位置翻转到关闭位置(以下为关闭)使浮置电极通电以使平板从垂直位置翻转到平行位置。
因此根据本发明的实施例提供一种装置，其包括一具有基底表面的基底，至少部分基底是透明的或有孔的；和一固定在基底上的物镜阵列，每个物镜的最大尺寸小于1毫米，且每个物镜具有可绕其旋转的轴线；其中该物镜具有两个稳定位置，在第一稳定位置物镜将基底的透明部分或开孔部分遮蔽，在第二稳定位置该透明部分至少部分地未被遮蔽。
在本发明的实施例中，基底在至少一部分由处于第一稳定位置的物镜遮蔽的区域和由处于第二稳定位置的物镜未遮蔽的区域上是透明的。视需要，该基底由透明材料制成。视需要，没有被在第一稳定位置的物镜遮蔽的基底区域由大体上不透明的材料遮蔽。
根据本发明的实施例，该基底由不透明材料制成，且在第一稳定位置至少部分形成有孔的区域被遮蔽。
视需要，该物镜的最大伸长小于200微米，90微米以下，50微米以下，20微米或者约10微米以下。
在本发明的实施例中，物镜包括一个物镜本体，视需要的一个平板，该平板在第一稳定位置遮蔽透明区域。视需要，该平板大体上平行于在第一稳定位置的基底的表面，并大体上垂直于在第二稳定位置的基底。
视需要，该物镜本体大体上对至少某一波段的波长不透明。视需要，该波段的波长包括可见波段。
在本发明的实施例中，该物镜包括一固定在物镜本体上的轴；一固定在基底上的轴支架，其具有支持表面，其中该轴具有如所制造的圆形横截面；该轴和表面的垂线形成一个非零度的角；以及该轴可以旋转，使得该物镜围绕该轴线旋转。
视需要，该轴沿所述旋转轴线。视需要，该轴与轴线成一角度。
视需要，该轴随着物镜旋转沿轴支持表面滚动。视需要，该装置包括至少一个插槽，轴可在插槽中旋转。视需要，该插槽覆盖在轴支持表面上，其中轴被限定在支持表面、边缘限制元件和顶部限制元件之间。视需要，该边缘限制元件之间的距离大于轴的直径，从而轴不受侧面支持表面之间的插槽的约束。
视需要，该轴包括两个轴向分离的部分，且物镜被固定在这两部分之间的轴上。视需要，该物镜在轴的两个侧面上延伸。视需要，轴支持表面大致垂直于基底表面。视需要，该轴的轴线大体上平行于基底表面。视需要，该物镜具有一平行于轴的平面。视需要该平面物镜在轴的一个侧面延伸到第一长度，在第二侧面延伸到较小的长度。
视需要，该平面物镜在其至少部分长度上可电气方式导电。视需要，该平面物镜在其至少较小的长度上可导电。
根据本发明的实施例还提供一种装置，其包括一基底，至少部分基底对某一波段的波长是透明的或者开有孔的；一固定在基底上的平板型物镜阵列，其可从第一位置旋转到第二位置，其中在第一位置基底的透明部分或开孔部分被遮蔽，在第二位置所述透明部分未被遮蔽；一固定在平板上可旋转的轴，使得平板可绕轴线旋转；一将旋转范围限制在大体上90度的限制元件。
视需要，该旋转轴线是所述轴的轴线。视需要，该平板包括在轴的一侧上的第一部分，该第一部分将基底的透明部分遮蔽，以及在轴的另一侧上的第二尾部部分。视需要，该限制元件包括一个从基底的表面伸出的物镜，当平板旋转到大约90度时，该物镜与尾部接合。
视需要，该限制元件包括一在靠近轴的平板的平面上的物镜，当平板旋转到大约90度时，该物镜与平板接合。
根据本发明的实施例还提供一种装置，其包括一基底，至少部分基底对某一波段的波长是透明的或者开有孔的；一平板型物镜阵列，其可从第一位置旋转到第二位置，其中在第一位置基底的透明部分或开孔部分被遮蔽，在第二位置所述透明部分未被遮蔽；一固定在平板上可旋转的轴，使得平板可绕轴线旋转，其中该平板包括在轴的一侧上的第一部分，该第一部分将基底的透明部分遮蔽，以及在轴的另一侧上的第二尾部部分；基底上的第一打开电极在第二部分和轴的一部分的下面；当平板处于第一位置时，基底上的第二关闭电极在第二部分的外侧；以及用于给第一和第二电极通电的电源。
视需要，该旋转轴线是轴的轴线。
视需要，该装置包括一个用来给打开电极通电的控制器，当平板处于第一位置时，将尾部吸向平板，从而将尾部翻转到所述第二位置。
视需要，该装置包括一个将平板的旋转范围限制在大约90度的限制元件。视需要，该限制元件包括一个当平板旋转到大约90度时与平板接合的物镜。视需要，物镜和平板之间的静摩擦将平板保持在所述第二位置。
视需要，该控制器用来给关闭电极通电，当平板处于第二位置时，将尾部吸向平板，从而将该电极从第二位置移动到第一位置。
在本发明的实施例中，该装置包括一放置在处于第一位置的平板水平的上面的浮置电极，其中该控制器选择性地给浮置电极通电，以实现平板从第一位置移动到第二位置和从第二位置移动到第一位置中的至少一种。
在本发明的实施例中，该装置包括放置在第一位置处的平板附近的至少一个固定电极，其中给至少一个固定电极通电以防止平板从第一位置移动到第二位置。视需要，阵列是矩形的多行和多列的平板阵列，每个平板具有两个固定电极，一个固定电极与在平板列中的另一个固定电极以电气方式连接，多个固定电极与在平板行中的其它固定电极连接，使得不用给与平板相连接的行电极和列电极通电，就能够分别地允许每个象素从第一位置改变到第二位置。
在本发明的实施例中，平板的最大伸长小于1毫米，小于200微米，小于90微米，小于50微米，小于20微米或者10微米。
还提供一种投影显示器，其包括根据本发明的装置；一照射该装置的光源；以及一控制器，其有选择地将所述物镜放置在所述第一位置和第二位置以在光通过该装置时形成图像。
视需要，该控制器用于通过将所述物镜放置在所述第二位置一段和所述亮度成比例的时间，从而控制经过对应于给定物镜的象素的所述光的亮度。视需要，在图像形成过程中，该控制器将物镜按不同的时间放置在第二位置，并将所有的物镜在同一时间放置在第一位置。
根据本发明的实施例还提供一种彩色显示器，其包括根据本发明的多个显示器，每个显示器由独立的不同颜色的光源照射；以及一将通过阵列的光合并的组合器。
视需要该显示器包括可周期地改变来自光源的光的颜色，例如彩色转盘，使得装置可以连续地由不同颜色的光照射。
优选地，该物镜的定位和用于改变颜色的装置是同步的。
视需要，该显示器包括一用于将经过装置的光投射到表面上的投射透镜。
视需要，周期地改变物镜的位置以提供一个移动的图像。
在后面的说明书中参考随附的
本发明示例性的非限制性的实施例。在这些附图中，在各幅图中出现的同样的和类似的结构、元件或其部分在附图中通常用相同的或类似的标记表示。在图中显示的元件的尺寸和特征主要是为了方便和清楚地表示而选择的，并且通常不是成比例的。所附附图是图1A是根据本发明一个实施例的显示器中的象素的示意性总体外观；图1B是图1A中去除平板后象素的示意性总体外观；图1C显示了根据本发明一个实施例的轴的详细结构和一切开形式的插槽，其中显示器中的平板围绕该轴旋转，该轴在插槽中旋转；图1D显示了根据本发明一个实施例的轴和插槽的横截面；图1E显示了根据本发明一个实施例的关闭电极、打开电极和平板的尾部的简化横截面；图2A-2C显示了根据本发明一个实施例的打开方法；图3A和3B显示了根据本发明一个实施例的平板相对于限制元件的位置；图4A-4C显示了根据本发明一个实施例的关闭方法；图5显示了根据本发明一个实施例的翻转电压的定时图；图6显示了根据本发明一个实施例在象素的制造过程中初步处理作用的结果；图7示意性地显示了根据本发明一个实施例的另一种平板结构；图8显示了根据本发明一个实施例的另一种制造止动块的方法；图9A和9B显示了根据本发明一个实施例的另一种平板结构，其不需要提供止动块并产生了更大的有效打开区域；图10显示了根据本发明一个实施例的寻址和锁定线的布置；图11显示了根据本发明一个实施例的悬置和接地线的布置；图12和13示意性地显示了两种利用了本发明的微显示装置的透射型投影系统。
具体实施例方式
常规的平板结构图1A-1D是根据本发明一个实施例的示例性象素10的总体外观。尽管该结构是作为一个实例来表示，但是许多显示的元件可以具有不同的结构，并且可以省略一些元件。
象素10包括一作为象素主要元件的翻转平板12，关闭电极101，打开电极102，连接电极103，止动块104，行锁定电极105，列锁定电极106，浮置电极18，和两个插槽21。优选地，平板上形成有圆形的轴26，该轴与插槽21配合。该插槽包括一个低位的视需要为楔形的具有上部边缘的元件30(有时在这里称为“刀形元件30”)，和两个侧面移动限制元件22以及上部限制元件24，其中轴可在该上部边缘滚动。视需要，每个电极可具有一个视需要为绝缘的凸起28，该凸起可以将平板和下部结构之间的接触面积减到最小。
图1A显示了在一个位置的象素的等角投影图，图1B显示了去除平板12后平板下面的结构的等角投影图，图1C显示了去除上部限制元件24的插槽21的视图，图1D显示了插槽21的横截面视图，其包括上面放置了刀形元件30的聚乙烯0层34(poly 0 layer)和将元件以机械方式和电气方式连接在一起的通路36和40。
在下面描述的构造方法中，底部结构基本上由在一石英、熔融硅石或玻璃基底8的上面相互连接的(寻址的)金属层1(M1)和金属层2(M2)制成。在一些实施例中，可以使用透明的塑料基底。在描述的结构中，列寻址和行寻址在金属层1和金属层2中，电极101和102的寻址线也在列寻址层中，且该行寻址线放置在列寻址线之间。行寻址线和列寻址线用二氧化硅和氮化硅覆盖。视需要提供使用插入线或层的屏蔽层。
通路孔将寻址线(和加给电极102和102的电压)与上面的多晶硅结构连接。多晶硅结构沉淀在三层中，这三层表示为聚乙烯0、聚乙烯1和聚乙烯2。在另一些实施例中，这种结构可以是金属的或者甚至是塑料的(喷涂金属或者用其它装置使其导电)。为了便于显示，这些层以相同类型的斜断面线表示，其中层0和2用右斜线表示，层1用左斜线表示。一般地，所有的多晶硅都制成是导电的。
在本发明的一个实施例中，电极101、102、103、105和106(包括凸起28、刀形元件30和止动块104)和侧面移动限制元件的底部放置在聚乙烯0中。平板12(包括轴26)和侧面移动限制元件22放置在聚乙烯1中，浮置电极18和上部限制元件24放置在聚乙烯2中。同时在聚乙烯2中设置用于浮置电极的电力线和用于铰链的接地装置。
可以理解未被多晶硅材料遮蔽的区域是透明的，使得当平板12大体上垂直于基底8(打开位置)的表面时，象素(或者为不在关闭位置的平板下面的部分)是透明的，当平板大体上平行于表面(关闭位置)时，象素不是透明的。在本发明的一些实施例中，平板的一个或两个面涂覆有光吸收涂层，以减少反射和透射。此外或另一种方案是，所有的曝光表面(除了那些直接在关闭位置处的平板12的下面的元件)都涂覆有一光反射材料。视需要，被反射的光由系统中某处的元件吸收。也可以使用吸收材料。然而，被吸收的光会导致微显示器的过度发热。
在示例性实施例中，平板为85×85微米，轴的直径为2微米。在另一种方案中，平板为40×85微米(产生一40×85的矩形象素)或者更大的尺寸(可以是0.2×0.2毫米，但也可以是1毫米×1毫米)，以及像10×10微米这么小或者更小的尺寸也包含在本发明的范围中。对于更小的尺寸，轴的尺寸也减小了。对于较大的平板，轴的尺寸将增大。
平板的打开在本发明的实施例中，视需要给连接电极103通电，使轴降低，并确保轴26和刀形元件30之间良好的电接触。轴26与刀形元件30(其为圆形)的上部边缘接触，还与凸起28连接(利用在聚乙烯0中的一条寻址线，未示出)，使得平板12和它们接地。视需要单独给浮置电极18通电(通过在聚乙烯2中高架的线，该线将所有的浮置电极连接在一起成一列)。也可以单独给打开电极102通电。可以理解如果寻址电极中的一个或两个都是正极，则浮置电极和打开电极都不用来将平板翻转到打开位置。为了便于理解打开操作，图1E中显示了在铰链之间沿垂直于电极101和102的切口的象素结构的横截面。在该横截面中只有打开电极102、关闭电极101和平板12被截开。示出了止动块104，但没有将其截开。
正如所显示的，平板12形成有一延伸超过轴26(为了说明轴的位置，在图1E中以白色显示)的尾部13。视需要在平板12中、轴远离尾部的另一侧形成一长的槽或一系列槽15。尾部13和许多槽15的作用在下面的论述中将变得明显，这在WO02/42826中也公开了。
图2A-2C显示了打开平板的方法。作为第一个动作(图2A)，给浮置电极18通电。由于浮置电极是聚乙烯2，平板12是聚乙烯1，刀形元件30和凸起28是聚乙烯0，所以给浮置电极通电将使平板升高离开凸起(克服静摩擦)。平板、刀形元件和凸起都处于相同的电势(这种情况下是接地)。对于一选定的象素或一组选定的象素来说，行锁定电极105和列锁定电极106也接地，使得在平板和锁定电极之间没有电引力。另一方面，给打开电极102通电，使得尾部13沿其方向被吸引(向下)。槽15是平板中的切口，这就减少了在轴26的右侧的平板部分，该平板部分大体上被吸向打开电极102。另一种将平板12吸向电极18的效果是将轴26设置在由刀形元件30和限制元件22和24形成的槽的右侧。在图3A中显示了这种情况。图3B显示了在打开位置的轴的位置。刀形元件30很薄以减小静摩擦，这能够防止移动和转动，或者至少限制在其位置。
在图2B中，关闭在浮置电极18上的电压，尾部13和打开电极102之间的吸引作用将尾部13降低，利用杠杆作用将平板12的其余部分升高，如图所示。在该升高操作过程中产生的动量使平板朝竖直位置(图2C)和止动块104移动。视需要，当移动开始后可以减小在打开电极102上的电压，然后利用惯性平板12继续移动，直到尾部14接触止动块。
平板的关闭图4A-C显示了关闭平板的方法。为了关闭平板12，给关闭电极101通电一小段时间，将接地的平板12的尾部13吸引。这足以将与利用静摩擦靠在止动块104上的平板12的尾部13与止动块104分离。(图4A)同时或者一小段时间之前或者之后，给浮置电极18通电，吸引平板12，使其继续围绕轴26向凸起28转动。(图4B)当平板靠近浮置电极18时，从浮置电极上去除电压，使得平板能继续朝凸起28下落。(图4C)应该指出的是，尽管电压表示为正，但是不论电压是正还是负都是以相同的方式进行翻转操作，尤其是如果平板处于地电势。此外，对于不同的电极，电压水平可以不同(在供给电压时具有一些其它组成)或者也可以使用AC电压。
图5显示了一种可能的用于打开和关闭平板的定时图。在图5中，在t0处，系统处于静止，然后给浮置电极通电。始终给连接电极103通电。将打开电极打开(图2A)。在t1处关闭浮置电极18(图2B)。在t3处，关闭打开电极102(图2C)。平板继续旋转直到其接触止动块104(图2C)。对于选定平板，锁定电极都处于零电势，使得它们不会抑制翻转。然而，在翻板经过浮置电极之后，由于利用浮置电极将翻板与平板屏蔽，所以平板会往回翻。
另一种或者附加地，只有尾部和在平板相反边缘的部分被制成是导电的(具有一导电带将其与轴连接)。这就不需要切除部分15。
在本发明的示例性实施例的应用中，象素布置在行和列中，图6中寻址线107和109分别与图1A中的行锁定电极105和图1A中的列锁定电极106连接。将所有的浮置电极18连接在一起，并一起通电。将所有的关闭电极101连接在一起，并一起通电。将所有的打开电极102连接在一起，并一起通电，所有的连接电极103也是这样。当执行上述的打开顺序时，只有那些行锁定电极和列锁定电极都接地的象素可以打开。任何具有一个通电的锁定电极的象素仍将保持原位。
打开象素的稳定性由于锁定电极是被悬置的浮置电极屏蔽，所以锁定电极不能关闭打开的象素。由于浮置电极与在打开位置的平板的距离，相对于止动块104的静摩擦力来说浮置电极的作用减弱了，所以浮置电极不能关闭打开的象素。
已经发现，为了实用的目的，平板12和凸起28之间的静摩擦常常需要足够大以将平板保持在适当的位置。作为另一种作用，把平板吸引到关闭电极101用于将平板定位在刀形元件上的某一位置准备关闭。
在构造和翻转方法上的变化对本领域技术人员是显而易见的。一些翻转方法利用了上述原理(通过将尾部吸引到电极上来翻转和利用浮置电极来控制翻转)。但是其它方法例如那些在相关的应用部门的出版物中描述的也可以用于翻转。
还应该注意的是，圆形轴是优选的，也可以使用上述方法用正方形的轴进行翻转，虽然可能处于更高的施加电压，但通常具有更低的转换速度和潜在的低稳定性。
象素的制造图6显示了根据本发明的一个实施例，用于在图1中示出的制造象素的示例性方法的第一个阶段。当然，利用该方法可以在单个基底上制造如图10和11部分示出的这种象素阵列。
下面是处理过程中的操作。通常，每次氧化物或者玻璃层的沉淀在退火之前进行。应该注意的是所描述的方法是根据在某一特定的铸造工厂所使用的处理技术，具体步骤可以改变，甚至对于相同的处理方法而言。还应该注意的是对于一些氧化蚀刻，上覆的氮化物层可以用作掩模，对于至少一些多晶硅蚀刻，氧化物和/氮化物层都可用作掩模。
A-开始基底；B-沉淀第一金属层；
C-金属蚀刻以限定寻址线；D-沉淀氧化物；E-沉淀第二金属层；F-金属蚀刻以限定寻址线；G-沉淀氧化物和(视需要)抛光；H-沉淀氮化硅；I-蚀刻氮化物和氧化物以限定通路；J-聚乙烯0(多晶硅)沉淀；K-聚乙烯蚀刻以形成凸起、刀形元件和止动块；L-聚乙烯掺杂；M-聚乙烯蚀刻以限定电极；N-沉淀氧化物；O-视需要进行抛光；P-氧化物蚀刻以限定铰链；Q-聚乙烯1(多晶硅)沉淀；R-荧光硅玻璃沉淀和退火；S-缓冲氧化物蚀刻以去除玻璃；T-低温度氧化物沉淀；U-氮化硅沉淀；V-聚乙烯1蚀刻以形成平板、侧面移动限制元件；W-缓冲氧化物蚀刻500；X-低温度氧化物沉淀；Y-氮化硅沉淀；Z-水平氮化物的反应离子蚀刻；AA-缓冲氧化物蚀刻3200；BB-湿聚乙烯蚀刻800；CC-缓冲氧化物蚀刻500；DD-湿聚乙烯蚀刻800；EE-缓冲氧化物蚀刻1000；FF-聚乙烯氧化；GG-缓冲氧化物蚀刻；
HH-湿氮化物蚀刻；II-牺牲的氧化物2沉淀；JJ-退火；KK-化学机械抛光；LL-用于插槽和浮置电极的铰链2蚀刻(氧化物蚀刻)；MM-聚乙烯2(多晶硅)沉淀；NN-荧光硅玻璃沉淀和退火；OO-缓冲氧化物蚀刻以去除荧光玻璃沉淀；PP-聚乙烯2蚀刻以形成上部轴限制元件和浮置电极；QQ-去除牺牲的氧化物。
除了操作A-J的步骤，该方法与在WO02/42826中显示的非常相似，在此不作重复。如下面所描述的主要的不同在于在聚乙烯2中寻址线的布置。
图6显示了在步骤A-J之后的基底。该基底用52表示(A)。金属层1(M1)(可以是TiW或者其它耐热金属或者金属硅化物)用107表示。典型地该层厚度为0.25微米。(B)将该层蚀刻以形成第一组寻址线。(C)第二金属层(M2)(可以是TiW或者其它耐热金属)用109表示。典型地该层厚度为0.25微米。(E)在两金属层之间有一绝缘的氧化物层，用108表示(D)。典型地该层厚度为0.25微米。然后将M2蚀刻以形成第二组寻址线。(F)典型地一组寻址线是列寻址线，第二组是行寻址线。第二金属由一(视需要为已抛光的)氧化物层覆盖，典型地厚度为1微米。(G)一酸性保护和绝缘的氮化硅层(H)用54表示。典型地其厚度为0.6微米。由于多晶硅的放置、掺杂和退火是高温处理，所以需要使用耐热金属。
通路111形成在氧化物层(I)中以使金属层与形成在氮化物层54上面的选定元件接触。优选地，可使用离子或等离子蚀刻。然后设置一聚乙烯0沉淀(J)典型地为2微米，用标记56表示。聚乙烯0材料充满通路，并选择地使金属层附着在聚乙烯0层上。
然后将聚乙烯0沉淀蚀刻以形成凸起18、刀形元件30、止动块104和电极101、102、103、105和106。(K)聚乙烯0层由步骤L制成是导电的。这种蚀刻操作的详细资料可从上面参考的WO02/42826中获得。
视需要，正如在WO02/42826的图8A-8D相关的公开中所描述的轴是圆形的。读者可以参考该文件，其在此不作重复。
很明显象素可以不用多晶硅材料制成。特别地，不使用聚乙烯层，可以沉淀金属层并使用适当的聚合物牺牲层和蚀刻剂。然后由于所有涉及的步骤都可以在相对低的温度进行，可以使用非耐火金属或者在低温电镀的金属。这使得对于寻址金属层和平板、电极等等来说可以是铜、镍、钴、铬、铝或合适的合金或者其它合适的金属。此外，由于氧化物不需要牺牲层，所以可以避免使用氢氟酸，这避免了对石英或玻璃基底损坏的危险。最后，在处理中可以使用合适的塑料材料，视需要与金属和/或多晶硅材料一起使用。
图7显示了轴26和刀形元件30的另一种结构。正如所示出的，轴与平板的中心线不垂直。为了清楚起见将轴与旋转轴线之间的角度放大了，通常从图1中显示的来看该角度范围是-10至+10度。这种结构将轴和在打开位置的刀形元件之间的接触面积减到最小，使得即使轴不是圆形且刀形元件不是尖锐的，这两个元件之间的接触也可以减小到一个点。
应该注意尽管图7中的刀形元件似乎与轴垂直，但是它可以离垂线20度或者更大。
作为另一种选择，在聚乙烯2中的止动块104即桥形元件可以形成在插槽21的顶部之间。该桥形元件可以防止平板越过垂直线。如果设置一个这样的桥形元件，可以省去止动块104。
图8显示了另一种制造止动块104的方法。正如上面所指出的，止动块104形成在聚乙烯0中，翻板平板形成在聚乙烯1中。因此，两层之间的偏移将出现在止动边缘，更靠近或远离轴线。然而，止动块的位置非常关键，因为如果它太靠近轴，翻板将只能打开较小的角度，如果它更加远离轴，平板的尾部将不会接触到止动块。
在显示的结构中，使翻板(聚乙烯1)蚀刻出一个孔80以将下面的氧化物曝光。一窗口90形成在光致抗蚀剂材料中。随后进行氧化物和聚乙烯蚀刻步骤，在边缘81处精确地切下止动块，从而形成止动块104的最终止动表面。这种方法需要止动电极相对于翻板平板和用于止动的扁平精确的边缘精确定位。
图9A显示了一种没有凸起28的平板12的结构。正如在相关的应用部门列出的申请中所描述的，设置凸起是为了减小在关闭位置的静摩擦力。如果允许平板的边缘接触基底，接触面将很大，从而需要过大的电压来升高平板。使用小凸起28可减小静摩擦。但是，对于这些文件中的反射式平板，凸起并不是问题，在本实施例中，凸起设置在能够明显地提供最大的打开面积的区域。此外，对于最理想的操作，凸起应该是圆形的，这就需要一条从铰链/插槽出来的线(可以是不透明的)穿过凸起。
在图9A的结构中，在平板12的端部设置了两个附加元件92。这些附加元件具有小的末端92，使得平板和基底之间的接触减到最小。当提供一个更大的打开面积时，减小了静摩擦且不需要凸起28。
图9B显示了图9A中实施例的一种变化形式，为了便于分离其是一个具有倾斜边缘94的单一附加元件92。因为是通过剥离操作从基底分离，这就产生较低的静摩擦。
对于图9A和图9B，由于平板12在关闭位置时低于当其坐落在凸起28时的位置，因此可以在聚乙烯1而不在聚乙烯2中形成浮置电极。这就具有能够使电极相对于平板更精确定位的优点。可以在聚乙烯1浮置电极的上面形成附加的聚乙烯2浮置电极，以增大电极的作用。
图10显示了根据本发明一个实施例的寻址和锁定线的布置。为了清楚起见，没有显示插槽21，显示了作为基准的平板12。
金属层(M1或M2)中的一层包括行线(如所显示的)，另一层包括列线。选择哪个金属层提供列或行是任意的。如图10所示，象素视需要布置成使得平板与在相反方向打开的相邻列连接。这就减少了需要的线的数量，因为可以为在两列中的所有相邻的电极使用一根线。相同的线可给连接电极103通电。在示出的实施例中，在每列中的打开电极102由公共的列线1002提供。(为了简化表示，以单一电极显示了打开电极，而不是象在图1中被分开的那样)在所示的布置中，由于关闭电极101和连接电极103与公共的线1004是相邻的，因此在相邻列中的关闭电极101和连接电极103由公共的线1004提供。所有的在每列中的列锁定电极106由公共的线1008提供；所有的在每行中的行锁定电极105由公共的线1006提供。
再参考图5，在上面四幅图的打开循环中显示的电压被施加在每个打开循环中的各个电极上，正如所示出的。如果给锁定电极(或者是行和列中的一个或两个)中的一个通电，将不会打开特定的象素。这样通过扫描行和选择列电极对象素进行扫描以选择在特定循环中要打开的象素。
实际上，根据本发明的实施例，将画面时间分割成多数个循环时间，等于要显示的亮度水平的数量。对于每个循环，从显示的亮度水平的数量确定各个要打开的象素的时间比例。在画面的开始阶段，所有的象素处于关闭位置。然后在第一循环过程中，打开所有具有最高亮度水平的象素。这些象素在整个画面保持打开。在下一个循环中，打开低一个亮度水平的象素。这些象素在其余的画面也保持打开。这个过程持续到直到扫描了所有的亮度水平。在画面结束时进行单个关闭循环。这种方法允许使用大量的亮度水平而不需要使用过多的能量且象素没有过多的磨损。
图11示意性显示了在一个示例性的实施例中，插槽21(以及刀形元件30、平板12、和凸起28)是如何接地，悬浮电极18是如何通电。正如所示出的，提供浮置线1102和铰链线1104。实质上，所有在相邻列中的插槽21通过聚乙烯2中的公共的线1104接地，所有在列中的浮置电极18利用在聚乙烯2中的浮置线1002连接在一起。实际上，浮置电极可以在聚乙烯2中形成为一个长杆，以用于提供浮置电压和升高平板。为了使解释简单，上面已经描述了靠近象素的浮置电极和插槽，利用一些未示出的装置将它们分开和通电或者接地。
两种主要类型的透射式显示器是公知的。在其中的一种显示器中光源照射在三个分开的微显示装置上，每个微显示装置具有红色、绿色和蓝色光中的一种。然后将来自这三个微显示装置的调制光或者合并并投射或者作为重叠图像投射到屏幕上。可以使用公共的光源并将其分成三种颜色，或者给每个通道使用分开的光源。图12显示了一种投影装置1200，其与现有技术(参见例如http//www.projectorpeople.com/news_info/lcd-view.asp)中的相似，除了对调制光使用上面描述的光闸阵列微显示装置来代替LCD。
在显示器1200中来自白色光源1202的光照射在红色分色镜1204上，使得光束被分成红色光束1206以及蓝色和绿色光束1208。光束1208照射在蓝色分色镜1210上使得光束被分成绿色光束1212和蓝色光束1214。将光束1206、1212和1214(通过反射镜1215)提供给三个透射式微显示装置1216、1218和1220，根据本发明，其中对光进行空间调制以分别形成红色、绿色和蓝色图像，并将其透射经过微显示装置。从微显示装置出来的光在分光组合器棱镜1222中合并，并由投射透镜1224投影到屏幕上。
另一种常规的投影显示器是在其中使用一个彩色转盘以周期地改变光的颜色，从而可以连续地产生不同颜色的分开图像。具有本发明的微显示装置的这种装置是有用的。图13显示了一种投影系统1300，其中利用透镜系统1306将光源1302聚焦在彩色转盘1304上。将光源聚焦是所期望的，使得在任一时刻整个图像都具有相同的颜色。根据本发明利用光学器件1308将从彩色转盘出来的光校准，并照射在微显示装置1310上。经过微显示装置的光由投影光学器件1312投影到屏幕上。
一般的，这里描述的光闸阵列与其它已知的图像形成方案或者使用LCDs的光学开关是一致的(或者其它透射式微显示装置)，其中可用光闸阵列代替LCDs。
在图12和13中，没有显示出微显示装置的驱动器、电源，对于图13没有显示出同步系统，但是它们当然都存在。图12和13都能够投影静止的和移动的图像。
可以理解透明的阵列区域的百分比可以很高，达到总面积的60％、70％、75％或者甚至80％。当然，附图没有按比例绘制，它是为了便于表示本发明的原理而绘制的。
此外，由于利用MEMS技术使小的尺寸是可能的，因此阵列可以具有几千、一百万或者甚至几百万个可寻址象素，从而产生高分辨率的显示器。然而对于大的阵列如果要显示许多亮度水平，寻址速度会受到影响。为了增大速度，可以设置附加的寻址线将阵列分成多个子阵列，这些子阵列是同时进行寻址的。
可以使用与上面描述相似的结构作为滤光器来过滤进入到成像或其它接收系统中的光。结构上的变化在于平板对于一特定波段的波长是透明的，而不是不透明的。例如，如果将如上面描述的阵列放置在成像系统的前面，则平板对可见光是不透明的而对IR是透明的，当平板处于打开位置时，所有的光将通过且由成像器形成一可见光图像。如果所有的平板处于关闭位置时，阵列将只通过IR，由成像器形成的图像是IR图像。滤光器能够非常迅速地从可见光转变到IR并且，如果需要，一小孔部分可以通过IR，同样一部分可以通过可见光。如果整个阵列被转换到一起，可以不要行和列锁定电极(和寻址线)。应该注意根据本发明可转换的滤光器的尺寸比现有技术的机械装置的小，而且更快。
很明显，本申请描述了许多不同的元件，包括其中有圆形的(或圆的)水平轴(或其它元件)，一滚动轴，一具有可迅速改变位置的平板的象素和/或使用低电压，一种翻转平板的方法和一种制造方法。可以理解尽管已经在显示器的上下文中描述了这些元件，但是为了将已知的最佳形式教导给发明者以实施本发明，可以认为上面描述的每个元件在其它装置中都具有更广泛的使用。此外，虽然在文中已经描述了这些元件，其在本文中在一个装置中一起工作，但很显然可以使用许多这样的新元件，在本发明的一些实施例中，而不需要其它的任何一个(当然可以不需要其它所有的)。例如，显示的翻转方法使用象素进行操作，其中轴可以不是圆形的或者可以仅仅部分为圆形。可以在现有技术中描述的翻转方法和在相关应用部门列出的参考书中使用圆形的轴。
此外，可以使用上面描述的元件来形成RF(或者其它)转换，其中当平板处于关闭位置时平板连接在基底上的两个触点(RF接线端)之间。当平板处于打开位置时，由于平板距离在该位置的触点相对较远，因此这种结构可提供一个非常低的RF通路。
很明显，本发明已经详细描述了作为实例提供的应用非限制的示例性实施例，但其目的不是限制本发明的范围。本发明实施例的各种变化，包括对各实施例中的特征的组合对于本领域技术人员都是可以发生的。例如，不在透明的基底上放置象素，而可以在形成有孔的不透明基底上放置象素。因此本发明的范围只由权利要求书的范围来限定。此外，为了避免有关权利要求书的范围的任何问题，其中在权利要求书中使用了术语“包含”、“包含着”、“包括”、“包括着”、等等，它们的意思是“包括但不必限制于”。
权利要求
1.一种装置，其包括一具有基底表面的基底，至少部分基底是透明的或开有孔的；以及一固定在基底上的物镜阵列，每个物镜的最大尺寸小于1毫米，且每个物镜具有可绕着旋转的轴线；其中该物镜具有两个稳定位置，在第一稳定位置物镜将基底的透明部分或开孔部分遮蔽，在第二稳定位置该透明部分至少部分地未被遮蔽。
2.根据权利要求1所述的装置，其中该基底在至少一部分由处于第一稳定位置的物镜遮蔽的区域和由处于第二稳定位置的物镜未遮蔽的区域上是透明的。
3.根据权利要求2所述的装置，其中该基底由透明材料制成。
4.根据权利要求3所述的装置，其中基底的未被处于第一稳定位置的物镜遮蔽的区域由基本上不透明的材料遮蔽。
5.根据权利要求3所述的装置，其中该基底由不透明材料制成，且在第一稳定位置至少部分被遮蔽的区域形成有孔。
6.根据上述任一权利要求所述的装置，其中物镜的最大伸长小于200微米。
7.根据权利要求6所述的装置，其中物镜的最大伸长在90微米以下。
8.根据权利要求7所述的装置，其中物镜的最大伸长在50微米以下。
9.根据权利要求8所述的装置，其中物镜的最大伸长在20微米以下。
10.根据权利要求9所述的装置，其中物镜的最大伸长为10微米。
11.根据上述任一权利要求所述的装置，其中该物镜包括物镜本体。
12.根据权利要求11所述的装置，其中该物镜本体包括一平板，该平板在第一稳定位置遮蔽透明区域。
13.根据权利要求12所述的装置，其中该平板大体上平行于在第一稳定位置的基底表面，并大体上垂直于在第二稳定位置的基底。
14.根据权利要求11-13中任一所述的装置，其中该物镜本体大体上对至少某一波段的波长不透明。
15.根据权利要求14所述的装置，其中该波段的波长包括可见波段。
16.一种根据权利要求11-15中任一所述的装置，其中该物镜包括一固定在物镜本体上的轴；一固定在基底上的轴支架，其具有支持表面，其中该轴具有如所制造的圆形横截面；该轴和表面的垂线形成一个非零度的角；以及该轴可以旋转，使得该物镜围绕该轴线旋转。
17.根据权利要求16所述的装置，其中该轴沿所述旋转轴线。
18.根据权利要求16所述的装置，其中该轴与轴线成一角度。
19.根据权利要求16-18任一所述的装置，其中该轴沿轴支持表面随着物镜转动而滚动。
20.根据权利要求16-19任一所述的装置，该装置包括至少一个插槽，轴可在插槽中旋转。
21.根据权利要求20所述的装置，其中该插槽覆盖在轴支持表面上，其中轴被限定在支持表面、边缘限制元件和顶部限制元件之间。
22.根据权利要求21所述的装置，其中该边缘限制元件之间的距离大于轴的直径，从而轴不受侧面支持表面之间的插槽的约束。
23.根据权利要求16-22中任一所述的装置，其中该轴包括两个轴向分离的部分，且物镜被固定在这两部分之间的轴上。
24.根据权利要求23所述的装置，其中该物镜在轴的两个侧面上延伸。
25.根据权利要求16-24中任一所述的装置，其中轴支持表面大致垂直于基底表面。
26.根据权利要求16-25中任一所述的装置，其中该轴的轴线大体上平行于基底表面。
27.根据权利要求26所述的装置，其中该物镜具有一平行于轴的平面。
28.根据权利要求27所述的装置，其中该平面物镜在轴的一个侧面延伸到第一长度，在第二侧面延伸到较小的长度。
29.根据权利要求28所述的装置，其中该平面物镜在其至少部分长度上可电气方式导电。
30.根据权利要求29所述的装置，其中该平面物镜在其至少较小的长度上可导电。
31.一种装置，其包括一基底，至少部分基底对某一波段的波长是透明的或者开有孔的；一固定在基底上的平板型物镜阵列，其可从第一位置旋转到第二位置，其中在第一位置基底的透明部分或开孔部分被遮蔽，在第二位置所述透明部分未被遮蔽；一固定在平板上可旋转的轴，使得平板可绕轴线旋转；一将旋转范围限制在大体上90度的限制元件。
32.根据权利要求31所述的装置，其中该旋转轴线是轴的轴线。
33.根据权利要求32所述的装置，其中该平板包括在轴的一侧上的第一部分，该第一部分将基底的透明部分遮蔽，以及在轴的另一侧上的第二尾部部分。
34.根据权利要求33所述的装置，其中该限制元件包括一个从基底表面伸出的物镜，当平板旋转到大约90度时，该物镜与尾部部分接合。
35.根据权利要求31-33中任一所述的装置，其中该限制元件包括一在靠近轴的平板的平面上的物镜，当平板旋转到大约90度时，该物镜与平板接合。
36.一种装置，其包括一基底，至少部分基底对某一波段的波长是透明的或者开有孔的；一平板型物镜阵列，其可从第一位置旋转到第二位置，其中在第一位置基底的透明部分或开孔部分被遮蔽，在第二位置所述透明部分未被遮蔽；一固定在平板上可旋转的轴，使得平板可绕轴线旋转，其中该平板包括在轴的一侧上的第一部分，该第一部分将基底的透明部分遮蔽，以及在轴的另一侧上的第二尾部部分；基底上的第一打开电极，在第二部分和轴的一部分的下面；基底上的第二关闭电极，当平板处于第一位置时，在第二部分的外侧；以及用于给第一和第二电极通电的电源。
37.根据权利要求36所述的装置，其中该旋转轴线是轴的轴线。
38.根据权利要求36或37所述的装置，还包括一个用来给打开电极通电的控制器，当平板处于第一位置时，将尾部吸向平板，从而将尾部翻转到所述第二位置。
39.根据权利要求36-38中任一所述的装置，还包括一个将平板的旋转范围限制在大约90度的限制元件。
40.根据权利要求39所述的装置，其中该限制元件包括一个当平板旋转到大约90度时与平板接合的物镜。
41.根据权利要求40所述的装置，其中物镜和平板之间的静摩擦将平板保持在所述第二位置。
42.根据权利要求39-41中任一所述的装置，其中该控制器用来给关闭电极通电，当平板处于第二位置时，将尾部吸向平板，从而将该电极从第二位置移动到第一位置。
43.根据权利要求36-42中任一所述的装置，还包括一放置在处于第一位置的平板水平的上面的浮置电极，其中该控制器选择地给浮置电极通电，以实现平板从第一位置移动到第二位置和从第二位置移动到第一位置中的至少一种。
44.根据权利要求36-42中任一所述的装置，还包括放置在第一位置处的平板附近的至少一个固定电极，其中给至少一个固定电极通电以防止平板从第一位置移动到第二位置。
45.根据权利要求44所述的装置，其中该阵列是矩形的多行和多列的平板阵列，每个平板具有两个固定电极，一个固定电极与在平板列中的其它固定电极以电气方式连接，多个固定电极与在平板行中的其它固定电极连接，使得不用给与平板相连接的行电极和列电极通电，就能够分别地允许每个象素从第一位置改变到第二位置。
46.根据权利要求36-45中任一所述的装置，其中该平板的最大伸长小于1毫米。
47.根据权利要求36-45中任一所述的装置，其中该平板的最大伸长小于200微米。
48.根据权利要求36-45中任一所述的装置，其中该平板的最大伸长小于90微米。
49.根据权利要求36-45中任一所述的装置，其中该平板的最大伸长小于50微米。
50.根据权利要求36-45中任一所述的装置，其中该平板的最大伸长小于20微米。
51.根据权利要求36-45中任一所述的装置，其中该平板的最大伸长是10微米。
52.一种投影显示器，其包括根据上述权利要求中任一所述的装置；一照射该装置的光源；以及一控制器，其有选择地将所述物镜放置在所述第一位置和第二位置以在光通过该装置时形成图像。
53.根据权利要求52所述的显示器，其中该控制器用于通过将所述物镜放置在所述第二位置一段和所述亮度成比例的时间，从而控制经过对应于给定物镜的象素的所述光的亮度。
54.根据权利要求53所述的显示器，其中对于给定画面，在图像形成过程中该控制器将物镜按不同的时间放置在第二位置，并将所有的物镜在同一时间放置在第一位置。
55.一种彩色显示器，其包括多个根据权利要求52-54中任一所述的显示器，每个显示器由独立的不同颜色的光源照射；以及一将通过阵列的光合并的组合器。
56.根据权利要求52-54中任一所述的显示器，还包括可周期地改变来自光源的光的颜色的装置，使得装置可以连续地由不同颜色的光照射。
57.根据权利要求56所述的显示器，其中可周期地改变颜色的装置包括彩色转盘。
58.根据权利要求56或57所述的显示器，其中该物镜的定位和用于改变颜色的装置是同步的。
59.根据权利要求52-58中任一所述的显示器，其中该显示器包括一用于将经过装置的光投射到表面上的投射透镜。
60.根据权利要求52-59中任一所述的显示器，其中物镜的位置是周期地改变的以提供一个移动的图像。
全文摘要
一种装置，其包括一具有基底表面的基底，至少部分基底是透明的或有孔的；以及一固定在基底上的物镜阵列，每个物镜的最大尺寸小于1毫米，且每个物镜具有可绕着旋转的轴线；其中该物镜具有两个稳定位置，在第一稳定位置物镜将基底的透明部分或开孔部分遮蔽，在第二稳定位置该透明部分至少部分地未被遮蔽。
文档编号H04N9/31GK1608221SQ02824178
公开日2005年4月20日 申请日期2002年12月3日 优先权日2001年12月3日
发明者阿米查·海因斯, 阿迪尔·卡蒂, 阿朗·科恩 申请人:弗利克赛尔公司