CA1144629A - Dispositif d'affichage miniature - Google Patents
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Abstract
Dispositif de modulation de lumière comprend des volets fixes et mobiles formés sur un support en silicium en utilisant la technologie des circuits intégrés. Les volets mobiles sont maintenus au support par des attaches élastiques servant de ressorts de rappel. Les volets sont montés entre deux plaques de verre porteuses d'électrodes transparentes susceptibles de créer un champ électrique local à l'endroit des volets mobiles afin de mettre ceux-ci en rotation autour des attaches. Un absorbeur, placé sous la plaque de verre inférieure, permet l'utilisation du dispositif pour un affichage alphanumérique à contraste élevé. Le dispositif peut aussi être utilisé comme valve optique à commande électronique. Le dispositif fonctionne sous une faible tension de commande, et possède une consommation d'énergie extrêmement faible.
Description
11~4~29 La presente invention se rapporte aux dispositifs d'affichage. Elle concerne, plus particulierement, un dis-positif d'affichage miniature, de type electrostatique, permettant la realisation de cellules d'affichage utilisables notamment dans les appareils portatifs alimentes par une pile, tels que les montres et les calculatrices électroniques.
L'invention concerne egalement un procede de fabrication de ce dispositif d'affichage miniature.
Des efforts considerables ont ete faits pour trouver et développer des systèmes d'affichage ayant une bonne esthe-tique, fonctionnant sous une faible tension d'alimentation, consommant très peu et realisables à bon marche. Les dispo-sitifs d'affichage à cristaux liquides remplissaient ces conditions jusqu'à ce que la consommation des circuits elec-troniques et en particulier des circuits integres en technologie CMOS soit abaissee à un point tel que la contribution de l'affichage à la consommation globale cesse d'etre negligeable.
Par ailleurs, la commande de tels dispositifs est complexe et leur contraste et leur esthetique ne sont pas des meilleurs.
Parmi les dispositifs d'affichage a faible consomma-tion on peut citer celui connu sous le nom " The Distec System"
et décrit dans le document " An Electrostatic Sign-The Distec System" , W.R. Aiken, Display Technology Corp., Cupertino, Cal.
USA. Ce dispositif est utilise comme enseigne ou panneau publi-citaire de grandes dimensions. Il comprend des modules formes de volets suspendus à un axe par des charnieres et susceptibles de tourner sous l'action d'un champ electrique applique par un systeme d'electrodes. La tension de commande est d'environ 3000 volts. L'adaptation 'de ce systeme pour obtenir un affichage miniature à faible tension de commande n'a cependant jamais ete suggeree.
On connait encore des dispositifs modulateurs de lumière utilisant des membranes deformables sous l'action d'un champ electrique ou d'un faisceau d'electrons et reali-sables à l'aide des techniques derivees de la fabrication des circuits integres. ~e tels modulateurs sont decrits par exemple dans les brevets américains Nos 3 600 798 et 3 886 310.
Le premier document montre un dispositif permettant de moduler la quantite de lumière transmise par deformation d'une membrane sous l'action d'un champ electrique et le deuxieme document decrit un dispositif permettant de modifier l'angle de reflexion de la lumiere par deformation d'une membrane sous l'action d'un faisceau d'electrons. Aucun de ces dispositifs ne constitue cependant un dispositif d'affichage, l'amplitude du mouvement de la membrane etant dans les deux cas tres faible et l'existence d'une source de lumière supplémentaire étant necessaire.
Un objet de la presente invention est un dispositif d'affichage miniature ayant une consommation très faible, ; presentant un excellent contraste, fonctionnant sous une faible tension d'alimentation et pouvant etre réalise avec la techno-logie des circuits intégres electroniques.
Pour atteindre ce but, le dispositif de modulation de lumière selon l'invention est essentiellement caracterise par le fait qu'il comporte:
- un support sensiblement plan pourvu d'une pluralité de cavites;
- une pluralite de volets obturant lesdites cavites en position de repos;
- des attaches elastiques des volets au support, disposees de part et d'autre de chaque volet et aptes à laisser tourner les volets et à les ramener dans leur position de repos; et - des moyens pour soumettre chaque volet à un champ electrique, sensiblement perpendiculaire au plan dudit support et suffi-sant pour faire tourner ledit volet d'un angle substantiel ~4~
autour de ses attaches pour ouvrir la cavite correspondante.
La commande des volets est simplifiée par le fait qu'ils sont remis dans leur position de repos par leurs attaches elastiques formant ressort de rappel. En outre, le principe du dispositif lui donne l'avantage de presenter un contraste très éleve, de fonctionner sous une faible tension de commande, continue ou alternative, compatible avec celle que l'on rencontre dans les appareils portatifs alimentes par des piles, d'avoir une consommation d'energie extrêmement faible, de presenter une bonne esthetique, de permettre un grand choix de materiaux et de couleurs differents pour les volets et d'avoir une excellente stabilite des composants à long terme.
L'invention vise egalement un procede de fabrication du dispositif decrit ci-dessus. Ce procede comporte essen-tiellement les etapes de fabrication suivantes:
sur une plaque de base en silicium (Si) ayant une première et deuxieme faces, - faire croître une couche d'oxyde de silicium (SiO2) sur ladite première face, - creer une couche de type p sur ladite deuxième face, - deposer une couche d'oxyde de silicium (SiO2) sur ladite deuxième face, - decouper lesdites attaches elastiques sur ladite deuxieme face, - metalliser ladite deuxième face, - découper lesdits volets dans la métallisation de ladite deuxième face, - découper la couche d'oxyde de silicium sur ladite première face, - attaquer le silicium par ladite première face jusqu'à la couche p , - libérer lesdits volets par elimination de la couche de type p et fixer lesdits volets audit support.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va etre décrit ci-dessous et a l'aide des dessins joints dans lesquels:
- la figure 1 illustre schematiquement le principe du dispo-sitif se]on l'invention, - la figure 2a est une vue en coupe d'un affichage utilisant le dispositif de la figure 1, - la figure 2b montre une variante de réalisation de la figure 2a, - les figures 3a et 3b illustrent differentes formes possibles d'execution des attaches des volets, - la figure 4 montre le principe d'une valve optique utilisant le dispositif selon l'invention, - les figures 5 à 13 representent les etats de la plaque de base au cours des differentes etapes de fabrication; chaque figure montre en a) une vue de face, en b) une vue de dos et en c) une coupe de la plaque vue de profil, - la figure 14 montre une forme d'execution d'une cellule d'affichage pour 1 chiffre à 7 segments, - la figure 15 montre un detail agrandi de la figure 14, - la figure 16 montre la designation des segments de l'af-fichage à 7 segments de la figure 14, et - la figure 17 est le schéma-bloc de la commande de la cellule de la figure 14.
La figure 1 montre un schema partiel du dispositif d'affichage selon l'invention. Un support isolant 5 est pourvu de cavites 3 de forme rectangulaire. Des volets yI à V4 sont disposes au-dessus de ces cavites et sont maintenus au support 5 par des attaches elastiques 4. A l'etat de repos, les volets sont parallèles au plan du support et obturent la cavite cor-respondante (V3 et V4, reference 1). Par contre, si un champ électrique E, sensiblement perpendiculaire au plan du support, ~144~29 est appliqué, les volets prennent une orientation sensiblementparallèle au champ appliqué dégageant ainsi la cavité corres-pondante (Vl et V2, référence 2). Il est bien evident que l'orientation des volets depend de l~intensite du champ electrique E et du couple de rappel exerce par les attaches 4 lorsque les volets ont quitté leur position de repos.
La figure 1 montre encore des rectangles Vf de mêmes forme et aspect que les volets Vl à V4 et disposés sur le support 5 de manière a présenter avec lesdits volets une disposition régulière. L'interêt de cet arrangement est de montrer un aspect régulier même si quelques zones seulement de la surface totale visible doivent pouvoir être activées.
Le support 5 est réalisé dans un materiau semi-conducteur, tel le silicium ou le germanium; les volets sont constitues d'au moins une couche de materiau semiconducteur et/ou de metal. Les attaches sont realisees en metal, en alliage, en semiconducteur ou en oxyde. Les differents consti-tuants enumeres ci-dessus ne sont, bien entendu, donnes qu'à
titre d'exemple non limitatif et d'autres constituants pour-raient egalement être utilises, comme on le verra plus loin.
Toutefois, il importe que les conditions suivantes soient remplies, à savoir: le support doit être isolant; les volets doivent être constitues au moins d'un matériau avant une cons-tante dielectrique differente de celle du milieu dans lequel ils baignent et les attaches doivent posseder une elasticité
appréciable.
La figure 2a montre, en coupe, une vue partielle d'un dispositif d'affichage selon les principes de la présente invention et muni de moyens de commande des volets. On retrouve le support 5 avec ses cavités 3, les rectangles Vf et les volets V avec leurs attaches élastiques 4. Le support 5 est solidaire d'une plaque transparente 9, laquelle comporte, 4~29 sur sa face superieure, des électrodes transparentes 7 disposees en regard des volets V et, sur sa face inferieure, une couche 10 en materiau absorbant les radiations lumineuses.
Une deuxième plaque transparente 8 est disposee au-dessus des volets et maintenue à distance convenable par des elements espaceurs 11. La plaque 8 comporte sur sa face inferieure une electrode egalement transparente 6 qui est commune a tous les volets V. A titre d'exemple, les plaques transparentes 8 et 9 sont en verre et les electrodes transparentes sont constituees par des films d'oxyde d'indium et d'étain.
Du point de vue électrique, le fonctionnement du dis-positif est le suivant. En l'absence d'un champ électrique entre les électrodes 6 et 7, les attaches maintiennent les volets parallèles au plan du support 5. Lorsqu'une tension continue ou alternative est appliquée entre l'electrode commune 6 et l'électrode 7 correspondant a un volet détermine, le champ électrique créé entre les electrodes induit des dipôles dans le volet concerne, ce qui produit un couple resul-tant faisant tourner le volet autour de ses attaches elastiques.
Le volet effectue alors une rotation jusqu'a ce que les couples de rappel dûs aux attaches élastiques équilibrent le couple induit électriquement. Les volets tournent donc de 90 au plus puisque pour cet angle, le couple électrique s'annule.
En position de repos, les volets V obturent les cavités et réfléchissent alors, comme les rectangles Vf, la presque tota-lite de la lumiere incidente Li. Par contre, a l'etat activé, les volets V ouvrent les cavités 3 et permettent l'absorption de la lumiere incidente par la couche 10. Il est évident que la couche 10 peut être réflechissante et les volets V et les rectangles Vf recouvertes d'une couche en matériau absorbant.
Une autre variante de ré~lisation avantageuse est montree ~ la figure 2b dans laquelle les eléments analogues à ceux de la figure 2a portent les mêmes references. Selon cette variante, chaque volet V constitue lui-même l'une des deux electrodes necessaires à la creation d'un champ elec-trique, llautre electrode 7 pouvant par exemple être disposee sur la paroi transparente 9 comme dans le cas de la figure 2a.
Dans ce cas, les volets V seront avantageusement fixes au support 5 par des attaches elastiques 4 alignees avec l'un des côtes desdits volets. De cette manière, les volets V
pourront être complètement escamotes à l'interieur des cavites 3, et l'epaisseur globale du dispositif sera reduite. Les volets peuvent être connectés entre eux et constituent alors l'électrode commune. Ils peuvent aussi être individuellement adressables et ce sont les électrodes 7 qui sont alors con-nectées entre elles pour constituer l'électrode commune.
Le dimensionnement des attaches élastiques est fonction du couple maximum créé par le champ électrique, sachant que ce couple est maximum lorsque le volet est env. à 45 et qu'il est approximativement égal a l'énergie électrique par radian emmagasinée dans le volume balayé par une rotation complète du volet. Ainsi, pour un volet ayant une larguer de 100 ~m baignant dans l'air et placé dans un champ de 105 V/m, le couple maximum vaut environ 4.10 Nm par unité de longueur du volet. Le couple exercé diminue de moitié lorsque le volet est à 75. Le couple de rappel des attaches élastiques doit être inferieur au couple maximum créé par le champ électrique de manière à permettre une rotation suffisante du volet. De bons résultats sont obtenus lorsque les volets et les attaches sont réalisés en gravant une couche d'aluminium de 50 a 200 nanomètres d'épaisseur ou lorsque les attaches élastiques sont réalisées en oxyde de silicium (SiO2). L'oxyde de silicium améliore encore l'élasticité requise et la résistance aux chocs.
La consommation du dispositif vaut approximativement deux fois l'energie emmagasinee electrostatiquement dans une cellule d'affichage depourvue de son volet, c'est-à-dire qu'elle est inferieure a 1 nJ/cm2 par cycle pour une cellule de 100 ~m d'epaisseur operant sous 10 volts dans l'air (10 nJ/cm2/cycle pour 10 ~m d'epaisseur). Cette consommation est inferieure de plusieurs ordres de grandeur a celle de cellules d'affichage dites a faible consommation. Cette tres faible consommation de l'affichage avec dielectrique gazeux (air) ou sous vide permet d'utiliser sans difficultes et sans pertes importantes des multiplicateurs de tension integres pour engendrer la tension de commande requise a partir de piles de faible capacite.
L'utilisation d'un dielectrique liquide permet de multiplier le couple électrique induit par ~r = constante dielectrique relative. Pour un systeme donne, ceci permet de reduire la tension requise aux electrodes d'un facteur valant approximativement 2 ~ carl comme il sera indique plus loin, une rotation d'au maximum 45 est dans ce cas suffisante pour un bon fonctionnement optique en raison du trappage de la lumière dans la cellule. Pour un dielectrique liquide ne présentant ni conduction ionique ni conduction electronique, cette solution permet de reduire encore la consommation. Toute-fois, si le temps de reponse des volets est tres court dans l'air (de l'ordre de 100 ~s), il est beaucoup plus long dans un dielectrique liquide.
Differentes variantes d'execution des volets, des attaches et des supports, telles que celles indiquees ci-apres, rentrent aussi dans le cadre general de l'invention:
I,es volets peuvent:
- être constitues d'une couche au moins d'un materiau nettement plus polarisable que le dielectrique qui les entoure; on peut aussi utiliser des metaux, des semiconducteurs dopes ou non ~L4~29 dopes, des materiaux piezoelectriques, etc...;
- posseder des formes autres que rectangulaires, - être entoures d'un dielectrique gazeux ou liquide aussi isolant que possible, ayant une faible constante dielectrique et une faible viscosite (par exemple, les gaz nobles, non-reactifs, rarefies, les liquides tels que les huiles fluides), - être fixes aux attaches elastiques en dehors de leur axe de symetrie (figure 2b), - ne pas être tous dans le même plan.
Les attaches elastiques peuvent:
- être constituées de matériaux divers, tels que par exemple:
Les métaux et les alliages d'argent, d'aluminium, d'or, de chrome, de cuivre, de fer, etc; les semiconducteurs tels que le silicium, le germanium, etc; les oxydes de silicium (SiO2), d'aluminium (A12O3), de titane (TiO2), de zirconium (ZrO2) etc; les materiaux polycristallins; les plastiques; les dérivés du latex;
- avoir des formes diverses pour posseder l'elasticite requise;
Les attaches en forme de S ou de U sont representées aux figures 3a et 3b et portent les references 12 et 13 respec-tivement alors que la figure 13b montre des attaches en forme de T.
Le support peut:
- être en materiau différent du silicium;
- être recouvert partiellement ou complètement d'une ou de plusieurs couches de matériaux;
- presenter des cavites degageant tout ou partie de l'epaisseur du support.
La figure 4 montre une variante du dispositif de la figure 2a dans laquelle le matériau absorbant a ete supprime.
Comme les deux plaques 8 et 9, ainsi que les electrodes 6 et 7, sont transparentes, le dispositif peut être. utilise comme valve Z~
optique.
Le fonctionnement des dispositifs des figures 2a, 2b et 4 est le suivant. En l'absence ae champ électrique, tous les volets sont en position de repos et presentent leur grande surface a la lumière incidente Li. Lorsqu'une tension suffisante est appliquée aux electrodes 6 et 7, associées a un volet (figures 2a et 4?, ou entre le volet V et l'electrode 7 correspondante (fig. 2b), ledit volet tourne autour de ses attaches et ne presente plus qu'une surface reduite (egale a la surface laterale du volet dans le meilleur cas) a la lumiere incidente. On conçoit des lors qu'il soit possible de réaliser un dispositif d'affichage dont les volets ou groupes de volets constituent les éléments actifs. Un fort contraste et un bon effet esthetique peuvent être obtenus, avec les realisations des figures 2a et 2b, avec des volets metallises reflechissants et/ou diffusants et un materiau absorbant de couleur foncee ou vive. Dans le cas du dispositif de la figure 4, l'application ou non d'une tension entre les elec-trodes associées a un volet permet ou empêche la transmission a travers le dispositif de la lumiere incidente. Le dispo-sitif de la figure 4 constitue donc un ensemble de valves optiques electriquement adressables. Dans le cas o~ un dielec-trique autre que l'air ou le vide est utilise dans les dispo-sitifs d'affichage des figures 2a et 2b, le champ électrique de commande ne doit plus nécessairement aligner verticalement les volets pour produire un affichage pleinement contraste.
Il suffit en effet que les volets fassent un angle ~ par rapport à leur position de repos tel que:
~ ~ arc sin 1 n o~ n est l'indice de refraction du dielectrique, pour que la lumiere incidente reflechie par les volets soit " trapée" dans la cellule. En pratique, on choisira comme diélectrique un liquide ayant un indice de réfraction de l'ordre de grandeur de n = l,5, ce qui donne un angle ~ ~ 41,8.
Visuellement, ce phenomène equivaut à une absorption de la lumière, de sorte que les cavites partiellement dégagees par les volets apparaissent par exemple en fonce (couleur du fond des cavites) sur fond metallise (teinte des volets).
Les variantes ci-après peuvent constituer des gene-ralisations optiques entrant dans le cadre general de l'in-vention - les volets peuvent être realises de manière à presenter non seulement l'aspect d'un depôt metallise reflechissant et/ou diffusant, mais ils peuvent aussi être colores par le depôt de fines couches interferentielles (SiO2, ~iO2, Al2O3, etc) ou absorbantes (depôts amorphes de semiconducteurs et autres materiaux ?, - des pigments colores peuvent être incorpores au dielectriqu~
liquide, - l'absorbeur lO peut absorber tout ou partie du spectre visible, être constitue soit par une plaque separee, soit par une couche deposee sur l'une des faces de la plaque de verre inférieure 9, portant les electrodes 7 transparentes ou encore parun depôt au fond des cavites.
Les differentes étapes ou phases du procede de fa-brication du dispositif sont decrites à titre d'exemple ci-dessous.
Le matériau de base est une plaque en silicium dont les caracteristiques sont les suivantes:
diamètre: environ 5 cm (2 inches) epaisseur: environ 280 ~m orientation: (lO0) Le procede est decrit à l'aide des figures 5 à 13.
Dans chaque figure, trois vues, notees a, b et c, representent respectivement une vue de la face de la plaque, une vue du dos et une vue de profil en coupe. Bien qu'un seul volet ait été représenté par souci de simplification, il est bien évident qu'en realite, le procedé permet de réaliser simultanément une pluralité de volets sur ]a même plaque de silicium.
Etape 1. Faire croître une couche d'oxyde de silicium d'épais-seur 2 ~m sur le dos de la plaque (Figure _ .
La plaque est placée dans un four d'oxydation à haute température. Un oxyde se forme sur toute la surface de la plaque. L'épaisseur de l'oxyde formé depend de la temperature, de la nature des gaz et du temps de cuisson.
Le dos de la plaque est recouvert d'une couche de photoresist, tel que fabrique par la sociéte.Hunt sous le nom de " Waycoat" , qui le protège pendant l'operation suivante.
La plaque est placee dans une solution d'acide fluorhydrique tamponne qui attaque l'oxyde expose. La couche de photoresist est enlevee.
Etape 2. Creer une couche de type p sur la face de la plaque (fig. 6).
Une couche de " Vapox-bore" , c'est-à-dire d'oxyde de silicium dope au bore depose par le procede CVD (Chemical Vapor Deposition?, est deposee sur la face de la plaque dans un reacteur. Ensuite, une diffusion est effectuée à haute temperature sous atmosphere d'azote pendant un temps court pour que le bore diffuse dans le silicium. Le dos de la plaque est alors protege avec du photoresist et les restes de la couche Vapox-bore sont attaques par ladite solution d'acide fluorhy-drique tamponne. La couche de photoresist est ensuite enlevee.
Etape 3. Depôt d'une couche de Vapox sur la ~ace de la plaque __ ___ _ __ (Figure 7) Cette couche est destinee a former les attaches elas-tiques. Elle a une epaisseur de 800 A. La plaque est placee 4~;Z~3 dans un réacteur et une couche de vapox est deposee sur la face de la plaque.
Etape 4. Découpage des attaches (Figure 8).
La face de la plaque est recouverte d'une couche de photoresist qui est exposée avec un masque convenable et développé. Les attaches sont ensuite découpées par une attaque sélective au moyen de ladite solution d'acide fluorhy-drique tamponné. Le photoresist est ensuite enlevé.
Etape 5. Métallisation sur la face de la plaque (Figure 9).
Cette couche d'aluminium est destinée a former les volets. Elle a une épaisseur de 2000 A. La plaque est placée dans un évaporateur et la couche d'aluminium est déposée sur la face de la plaque.
Etape 6. Découpage des volets (Figure 10) La face de la plaque est couverte avec une couche de photoresist qui est exposée avec un masque convenable et développée. Les volets sont découpés a l'aide d'une solution attaquant l'aluminium. Le photoresist est ensuite enlevé.
Etape 7. Découpage de la couche d'oxyde de silicium sur le dos (Fig. 11).
La face de la plaque est protégée avec une couche de photoresist négatif. Le dos est couvert avec une couche de photoresist positif qui est exposée avec un masque convenable et développee. L'oxyde de silicium est découpé par une solution d'acide fluorhydrique tamponné. Les deux couches de photoresist sont ensuite enlevées. Cette opération sert à former un masque d'oxyde de silicium sur le dos pour l'opération suivante.
Etape 8. Réalisation des cavités dans la plaque (Figure 12).
La face de la plaque est protégée par un montage adéquat et le dos de la plaque est attaqué par une solution ~-connue pour attaquer le silicium. Des cavités sont réalisées dans la plaque. L'attaque s'arrête à la couche de type p .
z9 Etape 9. Libération des volets (Figure 13).
La plaque est placée dans un réacteur à plasma avec un support qui protege la face de la plaque. La couche de type p+ est attaquée et éliminée. Les attaches et les volets sont alors dégagés La face de la palque sera avan-tageusement une surface dépolie pour que la face visible des volets soit la plus diffusante possible.
La plaque, qui en réalité comporte une pluralité
de volets peut-être découpée en un certain nombre d'unités, chacune de celles-ci étant placée dans une enceinte dont les parois 8 et 9 sont transparentes, porteuses des electrodes 7 (fig. 2a, 2b et 4) et éventuellement 6 (fig. 2a et 4), separees l'une de l'autre par des espaceurs 11. En outre, dans le procede ci-dessus, il est evident que le nombre de volets par cavite de même que le nombre de cavités par plaque peuvent être superieurs a un, les volets etant arranges de preférence en forme de matrice.
La figure 14 montre a titre d'exemple la disposition d'une cellule d'affichage pour un chiffre à 7 segments utilisant le dispositif d'affichage decrit ci-dessus. On y retrouve les eléments decrits dans la figure 2a, designes par les mêmes numéros de reference, sauf l'absorbeur qui a ete enleve pour indiquer qu'un tel dispositif d'affichage peut aussi être utilise en transmission de lumiere. On reconnaît la plaque de verre transparente 8 et l'electrode commune 6, le support 5 pour les volets et les cavites permettant aux volets de tourner autour de leurs attaches, l'espaceur 11 qui peut être un simple cadre plastique, sa fonction n'etant que de fixer la distance entre les electrodes lorsque l'air est choisi comme diélectrique entourant les volets, et la plaque de verre inferieure 9 sup-portant les electrodes transparentes 7 d'adressage des volets.
Ces électrodes designées respectivement par les lettres a a g, correspondent respectivement aux segments A a G du digit, comme indiqué dans la figure 16. Dans l'exemple de la figure 14, le segment D est forme de 3 éléments, constitués chacun par 3 volets V, comme indique dans le detail agrandi de la figure 15.
Il en est de meme pour les segments A, B, F et G, alors que les segments C et E sont constitues par 4 elements de 3 volets chacun.
La realisation d'un affichage à 7 segments sous la forme d'une matrice de volets simplifiee, comme celle de la figure 14, montre que le principe propose peut être exploite pour realiser une matrice plus complexe de valves optiques ou d'eléments d'affichage.
Les electrodes deposees sur les plaques de verre 8 et 9 sont realisees selon les techniques connues des affichages a cristaux liquides, comme par exemple: dépôt d'une couche d'oxyde d'indium et d'étain par le procede CVD ou pulvérisation cathodique, gravage puis isolation éventuelle par déposition d'un oxyde (par exemple SiO2) ou d'un nitrure (par exemple Si3N4) pour constituer des electrodes dites " bloquantes" .
Le support 5 peut etre rendu solidaire de l'une des plaques de verre supportant les electrodes et il peut être realise entre autres par evaporation ou par le procede CVD
(par exemple Si polycristallin) Dans le cas o~ un dielectrique liquide entourant les volets est utilisé, on peut faire appel aux techniques qui ont ete developpees pour l'encapsulation des cellules a cristaux liquides.
La figure 17 montre le schema-bloc de la commande - de la cellule d'affichage a 7 segments, A-G, de la figure 14.
Dans la figure 17, la celluIe d'affichage est representee sans le support des volets afin de montrer la forme et le recouvre-; ment des electrodes.
4~29 Chaque élement de l'affichage constitue un condensa-teur variable selon la position des volets et chaque capacite ainsi constituee varie en fonction de la tension de commande appliquee entre l'electrode commune 6 et les électrodes a-g d'adressage des volets. La capacite double approximativement entre la position de travail ou activée (volets dans un plan perpendiculaire a celui du support) et la position de repos (volets dans le plan du support). Comme le système est capacitif, il presente une memoire dont la duree utile de memorisation depend des courants de fuite de l'electronique de commande. Cette particularite peut être exploitee dans certaines applications pratiques, telles que l'affichage d'images sur un ecran. La figure 17 montre que les segments sont commandes par des inverseurs 17-17' a 23-23' formés de transistors MOS complementaires. Dans l'exemple decrit, les transistors 17-23 sont du type p et les transistors 17'-23' du type n.
Dans chaque paire, la source S du transistor de type p est reliee au pôle positif d'une source d'alimentation 24 et le drain D du transistor p est relie au drain du transis-tor n dont la source S est reliée au pôle negatif de la source 24. Les drains de chaque paire sont relies a l'electrode d'adressage correspondante: les drains de la paire 17-17' à l'électrode a, les drains de la paire 18-18' a l'electrode b, et ainsi de suite jusqu'aux drains de la paire 23-23' qui sont reliés a l'électrode g. Les grilles G des transistors p et n de chaque paire sont reliees entre elles et à l'une des sorties a'-g' d'un decodeur 25, de type connu, dont les entrées El-E4 sont reliées respectivement aux sorties d'un registre-tampon 26, recevant l'information decimale codee en binaire correspondant aux segments à activer. Ce registre-tampon 26 est commande par un décodeur d'adresse 27 recevant d'un circuit (non représenié) l'adresse du chiffre à afficher.
Le decodeur d'adresse 27 envoie alors au registre-tampon 26 un signal d'activation lui permettant d'enregistrer ladite information decimale codee en binaire appliquee sur ses entrées.
Les inverseurs 17-17' a 23-23' déterminent la tension de commande entre l'électrode commune 6 et les électrodes a-g d'adressage des segments. Pour les sorties du décodeur 25 qui sont au niveau logique correspondant au potentiel positif de la source 24, les transistors MOS a canal n des inverseurs correspondants sont conducteurs et les transistors a canal p sont bloques. Le potentiel negatif de la source des transistors a canal n est alors transmis aux electrodes d'adressage cor-respondantes, tandis que l'électrode commune 6 est toujours reliee au potentiel positif de la source 24. Cette condition entraine des volets et en consequence l'affichage des segments concernés. Pour les sorties du decodeur 25 qui sont au niveau logique correspondant au potentiel négatif de la source 24, ce sont les transistors MOS a canal p des inverseurs correspondants qui sont conducteurs et les transistors à canal n qui sont bloques. Cette condition correspond a une tres faible tension residuelle entre les électrodes d'adressage des segments con-cernés et l'electrode commune 6. Cette tension residuelle est insuffisante pour provoquer la rotation des volets, de sorte que les segments concernés ne sont pas affichés.
Bien que la presente invention ait eté decrite dans le cadre d'exemples de realisation particuliers, il est clair cependant qu'elle n'est nullement limitee auxdits exemples et qu'elle est susceptibie de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine.
L'invention concerne egalement un procede de fabrication de ce dispositif d'affichage miniature.
Des efforts considerables ont ete faits pour trouver et développer des systèmes d'affichage ayant une bonne esthe-tique, fonctionnant sous une faible tension d'alimentation, consommant très peu et realisables à bon marche. Les dispo-sitifs d'affichage à cristaux liquides remplissaient ces conditions jusqu'à ce que la consommation des circuits elec-troniques et en particulier des circuits integres en technologie CMOS soit abaissee à un point tel que la contribution de l'affichage à la consommation globale cesse d'etre negligeable.
Par ailleurs, la commande de tels dispositifs est complexe et leur contraste et leur esthetique ne sont pas des meilleurs.
Parmi les dispositifs d'affichage a faible consomma-tion on peut citer celui connu sous le nom " The Distec System"
et décrit dans le document " An Electrostatic Sign-The Distec System" , W.R. Aiken, Display Technology Corp., Cupertino, Cal.
USA. Ce dispositif est utilise comme enseigne ou panneau publi-citaire de grandes dimensions. Il comprend des modules formes de volets suspendus à un axe par des charnieres et susceptibles de tourner sous l'action d'un champ electrique applique par un systeme d'electrodes. La tension de commande est d'environ 3000 volts. L'adaptation 'de ce systeme pour obtenir un affichage miniature à faible tension de commande n'a cependant jamais ete suggeree.
On connait encore des dispositifs modulateurs de lumière utilisant des membranes deformables sous l'action d'un champ electrique ou d'un faisceau d'electrons et reali-sables à l'aide des techniques derivees de la fabrication des circuits integres. ~e tels modulateurs sont decrits par exemple dans les brevets américains Nos 3 600 798 et 3 886 310.
Le premier document montre un dispositif permettant de moduler la quantite de lumière transmise par deformation d'une membrane sous l'action d'un champ electrique et le deuxieme document decrit un dispositif permettant de modifier l'angle de reflexion de la lumiere par deformation d'une membrane sous l'action d'un faisceau d'electrons. Aucun de ces dispositifs ne constitue cependant un dispositif d'affichage, l'amplitude du mouvement de la membrane etant dans les deux cas tres faible et l'existence d'une source de lumière supplémentaire étant necessaire.
Un objet de la presente invention est un dispositif d'affichage miniature ayant une consommation très faible, ; presentant un excellent contraste, fonctionnant sous une faible tension d'alimentation et pouvant etre réalise avec la techno-logie des circuits intégres electroniques.
Pour atteindre ce but, le dispositif de modulation de lumière selon l'invention est essentiellement caracterise par le fait qu'il comporte:
- un support sensiblement plan pourvu d'une pluralité de cavites;
- une pluralite de volets obturant lesdites cavites en position de repos;
- des attaches elastiques des volets au support, disposees de part et d'autre de chaque volet et aptes à laisser tourner les volets et à les ramener dans leur position de repos; et - des moyens pour soumettre chaque volet à un champ electrique, sensiblement perpendiculaire au plan dudit support et suffi-sant pour faire tourner ledit volet d'un angle substantiel ~4~
autour de ses attaches pour ouvrir la cavite correspondante.
La commande des volets est simplifiée par le fait qu'ils sont remis dans leur position de repos par leurs attaches elastiques formant ressort de rappel. En outre, le principe du dispositif lui donne l'avantage de presenter un contraste très éleve, de fonctionner sous une faible tension de commande, continue ou alternative, compatible avec celle que l'on rencontre dans les appareils portatifs alimentes par des piles, d'avoir une consommation d'energie extrêmement faible, de presenter une bonne esthetique, de permettre un grand choix de materiaux et de couleurs differents pour les volets et d'avoir une excellente stabilite des composants à long terme.
L'invention vise egalement un procede de fabrication du dispositif decrit ci-dessus. Ce procede comporte essen-tiellement les etapes de fabrication suivantes:
sur une plaque de base en silicium (Si) ayant une première et deuxieme faces, - faire croître une couche d'oxyde de silicium (SiO2) sur ladite première face, - creer une couche de type p sur ladite deuxième face, - deposer une couche d'oxyde de silicium (SiO2) sur ladite deuxième face, - decouper lesdites attaches elastiques sur ladite deuxieme face, - metalliser ladite deuxième face, - découper lesdits volets dans la métallisation de ladite deuxième face, - découper la couche d'oxyde de silicium sur ladite première face, - attaquer le silicium par ladite première face jusqu'à la couche p , - libérer lesdits volets par elimination de la couche de type p et fixer lesdits volets audit support.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va etre décrit ci-dessous et a l'aide des dessins joints dans lesquels:
- la figure 1 illustre schematiquement le principe du dispo-sitif se]on l'invention, - la figure 2a est une vue en coupe d'un affichage utilisant le dispositif de la figure 1, - la figure 2b montre une variante de réalisation de la figure 2a, - les figures 3a et 3b illustrent differentes formes possibles d'execution des attaches des volets, - la figure 4 montre le principe d'une valve optique utilisant le dispositif selon l'invention, - les figures 5 à 13 representent les etats de la plaque de base au cours des differentes etapes de fabrication; chaque figure montre en a) une vue de face, en b) une vue de dos et en c) une coupe de la plaque vue de profil, - la figure 14 montre une forme d'execution d'une cellule d'affichage pour 1 chiffre à 7 segments, - la figure 15 montre un detail agrandi de la figure 14, - la figure 16 montre la designation des segments de l'af-fichage à 7 segments de la figure 14, et - la figure 17 est le schéma-bloc de la commande de la cellule de la figure 14.
La figure 1 montre un schema partiel du dispositif d'affichage selon l'invention. Un support isolant 5 est pourvu de cavites 3 de forme rectangulaire. Des volets yI à V4 sont disposes au-dessus de ces cavites et sont maintenus au support 5 par des attaches elastiques 4. A l'etat de repos, les volets sont parallèles au plan du support et obturent la cavite cor-respondante (V3 et V4, reference 1). Par contre, si un champ électrique E, sensiblement perpendiculaire au plan du support, ~144~29 est appliqué, les volets prennent une orientation sensiblementparallèle au champ appliqué dégageant ainsi la cavité corres-pondante (Vl et V2, référence 2). Il est bien evident que l'orientation des volets depend de l~intensite du champ electrique E et du couple de rappel exerce par les attaches 4 lorsque les volets ont quitté leur position de repos.
La figure 1 montre encore des rectangles Vf de mêmes forme et aspect que les volets Vl à V4 et disposés sur le support 5 de manière a présenter avec lesdits volets une disposition régulière. L'interêt de cet arrangement est de montrer un aspect régulier même si quelques zones seulement de la surface totale visible doivent pouvoir être activées.
Le support 5 est réalisé dans un materiau semi-conducteur, tel le silicium ou le germanium; les volets sont constitues d'au moins une couche de materiau semiconducteur et/ou de metal. Les attaches sont realisees en metal, en alliage, en semiconducteur ou en oxyde. Les differents consti-tuants enumeres ci-dessus ne sont, bien entendu, donnes qu'à
titre d'exemple non limitatif et d'autres constituants pour-raient egalement être utilises, comme on le verra plus loin.
Toutefois, il importe que les conditions suivantes soient remplies, à savoir: le support doit être isolant; les volets doivent être constitues au moins d'un matériau avant une cons-tante dielectrique differente de celle du milieu dans lequel ils baignent et les attaches doivent posseder une elasticité
appréciable.
La figure 2a montre, en coupe, une vue partielle d'un dispositif d'affichage selon les principes de la présente invention et muni de moyens de commande des volets. On retrouve le support 5 avec ses cavités 3, les rectangles Vf et les volets V avec leurs attaches élastiques 4. Le support 5 est solidaire d'une plaque transparente 9, laquelle comporte, 4~29 sur sa face superieure, des électrodes transparentes 7 disposees en regard des volets V et, sur sa face inferieure, une couche 10 en materiau absorbant les radiations lumineuses.
Une deuxième plaque transparente 8 est disposee au-dessus des volets et maintenue à distance convenable par des elements espaceurs 11. La plaque 8 comporte sur sa face inferieure une electrode egalement transparente 6 qui est commune a tous les volets V. A titre d'exemple, les plaques transparentes 8 et 9 sont en verre et les electrodes transparentes sont constituees par des films d'oxyde d'indium et d'étain.
Du point de vue électrique, le fonctionnement du dis-positif est le suivant. En l'absence d'un champ électrique entre les électrodes 6 et 7, les attaches maintiennent les volets parallèles au plan du support 5. Lorsqu'une tension continue ou alternative est appliquée entre l'electrode commune 6 et l'électrode 7 correspondant a un volet détermine, le champ électrique créé entre les electrodes induit des dipôles dans le volet concerne, ce qui produit un couple resul-tant faisant tourner le volet autour de ses attaches elastiques.
Le volet effectue alors une rotation jusqu'a ce que les couples de rappel dûs aux attaches élastiques équilibrent le couple induit électriquement. Les volets tournent donc de 90 au plus puisque pour cet angle, le couple électrique s'annule.
En position de repos, les volets V obturent les cavités et réfléchissent alors, comme les rectangles Vf, la presque tota-lite de la lumiere incidente Li. Par contre, a l'etat activé, les volets V ouvrent les cavités 3 et permettent l'absorption de la lumiere incidente par la couche 10. Il est évident que la couche 10 peut être réflechissante et les volets V et les rectangles Vf recouvertes d'une couche en matériau absorbant.
Une autre variante de ré~lisation avantageuse est montree ~ la figure 2b dans laquelle les eléments analogues à ceux de la figure 2a portent les mêmes references. Selon cette variante, chaque volet V constitue lui-même l'une des deux electrodes necessaires à la creation d'un champ elec-trique, llautre electrode 7 pouvant par exemple être disposee sur la paroi transparente 9 comme dans le cas de la figure 2a.
Dans ce cas, les volets V seront avantageusement fixes au support 5 par des attaches elastiques 4 alignees avec l'un des côtes desdits volets. De cette manière, les volets V
pourront être complètement escamotes à l'interieur des cavites 3, et l'epaisseur globale du dispositif sera reduite. Les volets peuvent être connectés entre eux et constituent alors l'électrode commune. Ils peuvent aussi être individuellement adressables et ce sont les électrodes 7 qui sont alors con-nectées entre elles pour constituer l'électrode commune.
Le dimensionnement des attaches élastiques est fonction du couple maximum créé par le champ électrique, sachant que ce couple est maximum lorsque le volet est env. à 45 et qu'il est approximativement égal a l'énergie électrique par radian emmagasinée dans le volume balayé par une rotation complète du volet. Ainsi, pour un volet ayant une larguer de 100 ~m baignant dans l'air et placé dans un champ de 105 V/m, le couple maximum vaut environ 4.10 Nm par unité de longueur du volet. Le couple exercé diminue de moitié lorsque le volet est à 75. Le couple de rappel des attaches élastiques doit être inferieur au couple maximum créé par le champ électrique de manière à permettre une rotation suffisante du volet. De bons résultats sont obtenus lorsque les volets et les attaches sont réalisés en gravant une couche d'aluminium de 50 a 200 nanomètres d'épaisseur ou lorsque les attaches élastiques sont réalisées en oxyde de silicium (SiO2). L'oxyde de silicium améliore encore l'élasticité requise et la résistance aux chocs.
La consommation du dispositif vaut approximativement deux fois l'energie emmagasinee electrostatiquement dans une cellule d'affichage depourvue de son volet, c'est-à-dire qu'elle est inferieure a 1 nJ/cm2 par cycle pour une cellule de 100 ~m d'epaisseur operant sous 10 volts dans l'air (10 nJ/cm2/cycle pour 10 ~m d'epaisseur). Cette consommation est inferieure de plusieurs ordres de grandeur a celle de cellules d'affichage dites a faible consommation. Cette tres faible consommation de l'affichage avec dielectrique gazeux (air) ou sous vide permet d'utiliser sans difficultes et sans pertes importantes des multiplicateurs de tension integres pour engendrer la tension de commande requise a partir de piles de faible capacite.
L'utilisation d'un dielectrique liquide permet de multiplier le couple électrique induit par ~r = constante dielectrique relative. Pour un systeme donne, ceci permet de reduire la tension requise aux electrodes d'un facteur valant approximativement 2 ~ carl comme il sera indique plus loin, une rotation d'au maximum 45 est dans ce cas suffisante pour un bon fonctionnement optique en raison du trappage de la lumière dans la cellule. Pour un dielectrique liquide ne présentant ni conduction ionique ni conduction electronique, cette solution permet de reduire encore la consommation. Toute-fois, si le temps de reponse des volets est tres court dans l'air (de l'ordre de 100 ~s), il est beaucoup plus long dans un dielectrique liquide.
Differentes variantes d'execution des volets, des attaches et des supports, telles que celles indiquees ci-apres, rentrent aussi dans le cadre general de l'invention:
I,es volets peuvent:
- être constitues d'une couche au moins d'un materiau nettement plus polarisable que le dielectrique qui les entoure; on peut aussi utiliser des metaux, des semiconducteurs dopes ou non ~L4~29 dopes, des materiaux piezoelectriques, etc...;
- posseder des formes autres que rectangulaires, - être entoures d'un dielectrique gazeux ou liquide aussi isolant que possible, ayant une faible constante dielectrique et une faible viscosite (par exemple, les gaz nobles, non-reactifs, rarefies, les liquides tels que les huiles fluides), - être fixes aux attaches elastiques en dehors de leur axe de symetrie (figure 2b), - ne pas être tous dans le même plan.
Les attaches elastiques peuvent:
- être constituées de matériaux divers, tels que par exemple:
Les métaux et les alliages d'argent, d'aluminium, d'or, de chrome, de cuivre, de fer, etc; les semiconducteurs tels que le silicium, le germanium, etc; les oxydes de silicium (SiO2), d'aluminium (A12O3), de titane (TiO2), de zirconium (ZrO2) etc; les materiaux polycristallins; les plastiques; les dérivés du latex;
- avoir des formes diverses pour posseder l'elasticite requise;
Les attaches en forme de S ou de U sont representées aux figures 3a et 3b et portent les references 12 et 13 respec-tivement alors que la figure 13b montre des attaches en forme de T.
Le support peut:
- être en materiau différent du silicium;
- être recouvert partiellement ou complètement d'une ou de plusieurs couches de matériaux;
- presenter des cavites degageant tout ou partie de l'epaisseur du support.
La figure 4 montre une variante du dispositif de la figure 2a dans laquelle le matériau absorbant a ete supprime.
Comme les deux plaques 8 et 9, ainsi que les electrodes 6 et 7, sont transparentes, le dispositif peut être. utilise comme valve Z~
optique.
Le fonctionnement des dispositifs des figures 2a, 2b et 4 est le suivant. En l'absence ae champ électrique, tous les volets sont en position de repos et presentent leur grande surface a la lumière incidente Li. Lorsqu'une tension suffisante est appliquée aux electrodes 6 et 7, associées a un volet (figures 2a et 4?, ou entre le volet V et l'electrode 7 correspondante (fig. 2b), ledit volet tourne autour de ses attaches et ne presente plus qu'une surface reduite (egale a la surface laterale du volet dans le meilleur cas) a la lumiere incidente. On conçoit des lors qu'il soit possible de réaliser un dispositif d'affichage dont les volets ou groupes de volets constituent les éléments actifs. Un fort contraste et un bon effet esthetique peuvent être obtenus, avec les realisations des figures 2a et 2b, avec des volets metallises reflechissants et/ou diffusants et un materiau absorbant de couleur foncee ou vive. Dans le cas du dispositif de la figure 4, l'application ou non d'une tension entre les elec-trodes associées a un volet permet ou empêche la transmission a travers le dispositif de la lumiere incidente. Le dispo-sitif de la figure 4 constitue donc un ensemble de valves optiques electriquement adressables. Dans le cas o~ un dielec-trique autre que l'air ou le vide est utilise dans les dispo-sitifs d'affichage des figures 2a et 2b, le champ électrique de commande ne doit plus nécessairement aligner verticalement les volets pour produire un affichage pleinement contraste.
Il suffit en effet que les volets fassent un angle ~ par rapport à leur position de repos tel que:
~ ~ arc sin 1 n o~ n est l'indice de refraction du dielectrique, pour que la lumiere incidente reflechie par les volets soit " trapée" dans la cellule. En pratique, on choisira comme diélectrique un liquide ayant un indice de réfraction de l'ordre de grandeur de n = l,5, ce qui donne un angle ~ ~ 41,8.
Visuellement, ce phenomène equivaut à une absorption de la lumière, de sorte que les cavites partiellement dégagees par les volets apparaissent par exemple en fonce (couleur du fond des cavites) sur fond metallise (teinte des volets).
Les variantes ci-après peuvent constituer des gene-ralisations optiques entrant dans le cadre general de l'in-vention - les volets peuvent être realises de manière à presenter non seulement l'aspect d'un depôt metallise reflechissant et/ou diffusant, mais ils peuvent aussi être colores par le depôt de fines couches interferentielles (SiO2, ~iO2, Al2O3, etc) ou absorbantes (depôts amorphes de semiconducteurs et autres materiaux ?, - des pigments colores peuvent être incorpores au dielectriqu~
liquide, - l'absorbeur lO peut absorber tout ou partie du spectre visible, être constitue soit par une plaque separee, soit par une couche deposee sur l'une des faces de la plaque de verre inférieure 9, portant les electrodes 7 transparentes ou encore parun depôt au fond des cavites.
Les differentes étapes ou phases du procede de fa-brication du dispositif sont decrites à titre d'exemple ci-dessous.
Le matériau de base est une plaque en silicium dont les caracteristiques sont les suivantes:
diamètre: environ 5 cm (2 inches) epaisseur: environ 280 ~m orientation: (lO0) Le procede est decrit à l'aide des figures 5 à 13.
Dans chaque figure, trois vues, notees a, b et c, representent respectivement une vue de la face de la plaque, une vue du dos et une vue de profil en coupe. Bien qu'un seul volet ait été représenté par souci de simplification, il est bien évident qu'en realite, le procedé permet de réaliser simultanément une pluralité de volets sur ]a même plaque de silicium.
Etape 1. Faire croître une couche d'oxyde de silicium d'épais-seur 2 ~m sur le dos de la plaque (Figure _ .
La plaque est placée dans un four d'oxydation à haute température. Un oxyde se forme sur toute la surface de la plaque. L'épaisseur de l'oxyde formé depend de la temperature, de la nature des gaz et du temps de cuisson.
Le dos de la plaque est recouvert d'une couche de photoresist, tel que fabrique par la sociéte.Hunt sous le nom de " Waycoat" , qui le protège pendant l'operation suivante.
La plaque est placee dans une solution d'acide fluorhydrique tamponne qui attaque l'oxyde expose. La couche de photoresist est enlevee.
Etape 2. Creer une couche de type p sur la face de la plaque (fig. 6).
Une couche de " Vapox-bore" , c'est-à-dire d'oxyde de silicium dope au bore depose par le procede CVD (Chemical Vapor Deposition?, est deposee sur la face de la plaque dans un reacteur. Ensuite, une diffusion est effectuée à haute temperature sous atmosphere d'azote pendant un temps court pour que le bore diffuse dans le silicium. Le dos de la plaque est alors protege avec du photoresist et les restes de la couche Vapox-bore sont attaques par ladite solution d'acide fluorhy-drique tamponne. La couche de photoresist est ensuite enlevee.
Etape 3. Depôt d'une couche de Vapox sur la ~ace de la plaque __ ___ _ __ (Figure 7) Cette couche est destinee a former les attaches elas-tiques. Elle a une epaisseur de 800 A. La plaque est placee 4~;Z~3 dans un réacteur et une couche de vapox est deposee sur la face de la plaque.
Etape 4. Découpage des attaches (Figure 8).
La face de la plaque est recouverte d'une couche de photoresist qui est exposée avec un masque convenable et développé. Les attaches sont ensuite découpées par une attaque sélective au moyen de ladite solution d'acide fluorhy-drique tamponné. Le photoresist est ensuite enlevé.
Etape 5. Métallisation sur la face de la plaque (Figure 9).
Cette couche d'aluminium est destinée a former les volets. Elle a une épaisseur de 2000 A. La plaque est placée dans un évaporateur et la couche d'aluminium est déposée sur la face de la plaque.
Etape 6. Découpage des volets (Figure 10) La face de la plaque est couverte avec une couche de photoresist qui est exposée avec un masque convenable et développée. Les volets sont découpés a l'aide d'une solution attaquant l'aluminium. Le photoresist est ensuite enlevé.
Etape 7. Découpage de la couche d'oxyde de silicium sur le dos (Fig. 11).
La face de la plaque est protégée avec une couche de photoresist négatif. Le dos est couvert avec une couche de photoresist positif qui est exposée avec un masque convenable et développee. L'oxyde de silicium est découpé par une solution d'acide fluorhydrique tamponné. Les deux couches de photoresist sont ensuite enlevées. Cette opération sert à former un masque d'oxyde de silicium sur le dos pour l'opération suivante.
Etape 8. Réalisation des cavités dans la plaque (Figure 12).
La face de la plaque est protégée par un montage adéquat et le dos de la plaque est attaqué par une solution ~-connue pour attaquer le silicium. Des cavités sont réalisées dans la plaque. L'attaque s'arrête à la couche de type p .
z9 Etape 9. Libération des volets (Figure 13).
La plaque est placée dans un réacteur à plasma avec un support qui protege la face de la plaque. La couche de type p+ est attaquée et éliminée. Les attaches et les volets sont alors dégagés La face de la palque sera avan-tageusement une surface dépolie pour que la face visible des volets soit la plus diffusante possible.
La plaque, qui en réalité comporte une pluralité
de volets peut-être découpée en un certain nombre d'unités, chacune de celles-ci étant placée dans une enceinte dont les parois 8 et 9 sont transparentes, porteuses des electrodes 7 (fig. 2a, 2b et 4) et éventuellement 6 (fig. 2a et 4), separees l'une de l'autre par des espaceurs 11. En outre, dans le procede ci-dessus, il est evident que le nombre de volets par cavite de même que le nombre de cavités par plaque peuvent être superieurs a un, les volets etant arranges de preférence en forme de matrice.
La figure 14 montre a titre d'exemple la disposition d'une cellule d'affichage pour un chiffre à 7 segments utilisant le dispositif d'affichage decrit ci-dessus. On y retrouve les eléments decrits dans la figure 2a, designes par les mêmes numéros de reference, sauf l'absorbeur qui a ete enleve pour indiquer qu'un tel dispositif d'affichage peut aussi être utilise en transmission de lumiere. On reconnaît la plaque de verre transparente 8 et l'electrode commune 6, le support 5 pour les volets et les cavites permettant aux volets de tourner autour de leurs attaches, l'espaceur 11 qui peut être un simple cadre plastique, sa fonction n'etant que de fixer la distance entre les electrodes lorsque l'air est choisi comme diélectrique entourant les volets, et la plaque de verre inferieure 9 sup-portant les electrodes transparentes 7 d'adressage des volets.
Ces électrodes designées respectivement par les lettres a a g, correspondent respectivement aux segments A a G du digit, comme indiqué dans la figure 16. Dans l'exemple de la figure 14, le segment D est forme de 3 éléments, constitués chacun par 3 volets V, comme indique dans le detail agrandi de la figure 15.
Il en est de meme pour les segments A, B, F et G, alors que les segments C et E sont constitues par 4 elements de 3 volets chacun.
La realisation d'un affichage à 7 segments sous la forme d'une matrice de volets simplifiee, comme celle de la figure 14, montre que le principe propose peut être exploite pour realiser une matrice plus complexe de valves optiques ou d'eléments d'affichage.
Les electrodes deposees sur les plaques de verre 8 et 9 sont realisees selon les techniques connues des affichages a cristaux liquides, comme par exemple: dépôt d'une couche d'oxyde d'indium et d'étain par le procede CVD ou pulvérisation cathodique, gravage puis isolation éventuelle par déposition d'un oxyde (par exemple SiO2) ou d'un nitrure (par exemple Si3N4) pour constituer des electrodes dites " bloquantes" .
Le support 5 peut etre rendu solidaire de l'une des plaques de verre supportant les electrodes et il peut être realise entre autres par evaporation ou par le procede CVD
(par exemple Si polycristallin) Dans le cas o~ un dielectrique liquide entourant les volets est utilisé, on peut faire appel aux techniques qui ont ete developpees pour l'encapsulation des cellules a cristaux liquides.
La figure 17 montre le schema-bloc de la commande - de la cellule d'affichage a 7 segments, A-G, de la figure 14.
Dans la figure 17, la celluIe d'affichage est representee sans le support des volets afin de montrer la forme et le recouvre-; ment des electrodes.
4~29 Chaque élement de l'affichage constitue un condensa-teur variable selon la position des volets et chaque capacite ainsi constituee varie en fonction de la tension de commande appliquee entre l'electrode commune 6 et les électrodes a-g d'adressage des volets. La capacite double approximativement entre la position de travail ou activée (volets dans un plan perpendiculaire a celui du support) et la position de repos (volets dans le plan du support). Comme le système est capacitif, il presente une memoire dont la duree utile de memorisation depend des courants de fuite de l'electronique de commande. Cette particularite peut être exploitee dans certaines applications pratiques, telles que l'affichage d'images sur un ecran. La figure 17 montre que les segments sont commandes par des inverseurs 17-17' a 23-23' formés de transistors MOS complementaires. Dans l'exemple decrit, les transistors 17-23 sont du type p et les transistors 17'-23' du type n.
Dans chaque paire, la source S du transistor de type p est reliee au pôle positif d'une source d'alimentation 24 et le drain D du transistor p est relie au drain du transis-tor n dont la source S est reliée au pôle negatif de la source 24. Les drains de chaque paire sont relies a l'electrode d'adressage correspondante: les drains de la paire 17-17' à l'électrode a, les drains de la paire 18-18' a l'electrode b, et ainsi de suite jusqu'aux drains de la paire 23-23' qui sont reliés a l'électrode g. Les grilles G des transistors p et n de chaque paire sont reliees entre elles et à l'une des sorties a'-g' d'un decodeur 25, de type connu, dont les entrées El-E4 sont reliées respectivement aux sorties d'un registre-tampon 26, recevant l'information decimale codee en binaire correspondant aux segments à activer. Ce registre-tampon 26 est commande par un décodeur d'adresse 27 recevant d'un circuit (non représenié) l'adresse du chiffre à afficher.
Le decodeur d'adresse 27 envoie alors au registre-tampon 26 un signal d'activation lui permettant d'enregistrer ladite information decimale codee en binaire appliquee sur ses entrées.
Les inverseurs 17-17' a 23-23' déterminent la tension de commande entre l'électrode commune 6 et les électrodes a-g d'adressage des segments. Pour les sorties du décodeur 25 qui sont au niveau logique correspondant au potentiel positif de la source 24, les transistors MOS a canal n des inverseurs correspondants sont conducteurs et les transistors a canal p sont bloques. Le potentiel negatif de la source des transistors a canal n est alors transmis aux electrodes d'adressage cor-respondantes, tandis que l'électrode commune 6 est toujours reliee au potentiel positif de la source 24. Cette condition entraine des volets et en consequence l'affichage des segments concernés. Pour les sorties du decodeur 25 qui sont au niveau logique correspondant au potentiel négatif de la source 24, ce sont les transistors MOS a canal p des inverseurs correspondants qui sont conducteurs et les transistors à canal n qui sont bloques. Cette condition correspond a une tres faible tension residuelle entre les électrodes d'adressage des segments con-cernés et l'electrode commune 6. Cette tension residuelle est insuffisante pour provoquer la rotation des volets, de sorte que les segments concernés ne sont pas affichés.
Bien que la presente invention ait eté decrite dans le cadre d'exemples de realisation particuliers, il est clair cependant qu'elle n'est nullement limitee auxdits exemples et qu'elle est susceptibie de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine.
Claims (22)
1. Dispositif d'affichage miniature, caractérisé
en ce qu'il comporte:
- un support sensiblement plan pourvu d'une pluralité
de cavités;
- une pluralité de volets obturant lesdites cavités en position de repos;
- des attaches élastiques des volets au support, disposées de part et d'autre de chaque volet et aptes à laisser tourner les volets et à les ramener dans leur position de repos;
et - des moyens pour soumettre chaque volet à un champ électrique sensiblement perpendiculaire au plan dudit support et suffisant pour faire tourner lesdits volets d'un angle substantiel autour de ses attaches pour ouvrir la cavité cor-respondante.
en ce qu'il comporte:
- un support sensiblement plan pourvu d'une pluralité
de cavités;
- une pluralité de volets obturant lesdites cavités en position de repos;
- des attaches élastiques des volets au support, disposées de part et d'autre de chaque volet et aptes à laisser tourner les volets et à les ramener dans leur position de repos;
et - des moyens pour soumettre chaque volet à un champ électrique sensiblement perpendiculaire au plan dudit support et suffisant pour faire tourner lesdits volets d'un angle substantiel autour de ses attaches pour ouvrir la cavité cor-respondante.
2. Dispositif d'affichage miniature selon la reven-dication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur desdites attaches élastiques est inférieure à dix microns.
3. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte fermée ayant une première et une deuxième parois sensiblement parallèles au plan dudit support; en ce que ladite première paroi est transparente et en ce que ledit support est placé à l'intérieur de ladite enceinte.
4. Dispositif d'affichage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit support est solidaire de ladite deuxième paroi.
5. Dispositif d'affichage selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite deuxième paroi est transparente.
6. Dispositif d'affichage selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une paire d'électrodes par volet ou groupe de volets disposées de part et d'autre du volet ou groupe de volets et en ce qu'au moins une électrode de ladite paire est transparente et est disposée sur ladite paroi transparente.
7. Dispositif d'affichage selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une électrode par volet ou groupe de volets disposée en regard du volet ou groupe de volets, ledit champ électrique étant appliqué
entre le volet ou groupe de volets et ladite électrode.
entre le volet ou groupe de volets et ladite électrode.
8. Dispositif d'affichage selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une électrode est commune à plusieurs volets ou groupes de volets.
9. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle est sensiblement de 90°.
10. Dispositif d'affichage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite enceinte est remplie par un liquide électriquement isolant.
11. Dispositif d'affichage selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit angle est sensiblement égal à arc sin où " n" est l'indice de réfraction dudit liquide.
12. Dispositif d'affichage selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite deuxième paroi est recou-verte par un matériau absorbant tout ou partie des radiations lumineuses.
13. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit support est réalisé
en silicium.
en silicium.
14. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites attaches élastiques sont réalisées en oxyde de silicium.
15. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits volets comportent une couche d'oxyde de silicium et une couche de métal.
16. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits volets et lesdites attaches élastiques sont réalisées en aluminium.
17. Dispositif d'affichage selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit liquide isolant est teinté
de pigments colorés.
de pigments colorés.
18. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites attaches élastiques ont une forme en U.
19. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites attaches élastiques ont une forme en S.
20. Dispositif d'affichage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites attaches élastiques sont droites.
21. Procédé de fabrication du dispositif d'affichage comportant un support sensiblement plan pourvu d'une pluralité
de cavités obturées, en position de repos, par des volets dont chacun est pourvu d'attaches élastiques disposées de part et d'autre les reliant au support et aptes à laisser tourner les volets lorsque soumis à un champ électrique sensiblement perpendiculaire au plan dudit support et suffisant pour faire tourner lesdits volets d'un angle substantiel autour de ses attaches pour ouvrir la cavité correspondante, caractérisé
par le fait que cedit procédé comporte la suite des étapes de fabrication suivantes:
sur une plaque de base en silicium (Si) ayant une première et une deuxième faces, - faire croître une couche d'oxyde de silicium (SiO2) sur ladite première face, - créer une couche de type p+ sur ladite deuxième face, - déposer une couche d'oxyde de silidium (SiO2) sur ladite deuxième face, - découper lesdites attaches élastiques sur ladite deuxième face, - métalliser ladite deuxième face, - découper lesdits volets dans la métallisation de ladite deuxième face, - découper la couche d'oxyde de silicium sur ladite première face, - attaquer le silicium par ladite première face jusqu'à la couche p+, - libérer lesdits volets par élimination de la couche de type p+ et fixer lesdits volets audit support.
de cavités obturées, en position de repos, par des volets dont chacun est pourvu d'attaches élastiques disposées de part et d'autre les reliant au support et aptes à laisser tourner les volets lorsque soumis à un champ électrique sensiblement perpendiculaire au plan dudit support et suffisant pour faire tourner lesdits volets d'un angle substantiel autour de ses attaches pour ouvrir la cavité correspondante, caractérisé
par le fait que cedit procédé comporte la suite des étapes de fabrication suivantes:
sur une plaque de base en silicium (Si) ayant une première et une deuxième faces, - faire croître une couche d'oxyde de silicium (SiO2) sur ladite première face, - créer une couche de type p+ sur ladite deuxième face, - déposer une couche d'oxyde de silidium (SiO2) sur ladite deuxième face, - découper lesdites attaches élastiques sur ladite deuxième face, - métalliser ladite deuxième face, - découper lesdits volets dans la métallisation de ladite deuxième face, - découper la couche d'oxyde de silicium sur ladite première face, - attaquer le silicium par ladite première face jusqu'à la couche p+, - libérer lesdits volets par élimination de la couche de type p+ et fixer lesdits volets audit support.
22. Procédé de fabrication selon la revendication 21, caractérisé en ce que ladite deuxième face de la plaque de base est une face dépolie.
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