CN100378496C

CN100378496C - 具有隐藏铰链的高填充率反射式空间光调制器

Info

Publication number: CN100378496C
Application number: CNB2004800209492A
Authority: CN
Inventors: 晓河·X·潘; 杨晓
Original assignee: Miradia Inc
Current assignee: Miradia Inc
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: CN1839334A; CN100410722C; CN1853129A

Abstract

一种具有隐藏铰链的微反射镜阵列，可用于例如反射式空间光调制器中。在一种实施例中，微反射镜阵列包括隔板支撑壁、铰链、反射镜片和反射镜片上表面上的反射表面，其中反射表面遮蔽了铰链和反射镜片。该微反射镜阵列由单一材料制造。

Description

具有隐藏铰链的高填充率反射式空间光调制器

技术领域

本发明涉及空间光调制器(SLM)，更具体而言，本发明涉及具有隐藏铰链以使象素填充率最大化、散射和衍射最小化并获得高对比度和高图像质量的微反射镜结构。

背景技术

空间光调制器(SLM)在光学信息处理、投影显示器、视频和图形监视器、电视以及电子照相印刷领域有大量应用。反射式SLM是这样的器件，其对空间图样中的入射光进行调制以反射与电或光输入相对应的图像。可以在相位、强度、偏振态或偏转方向等方面对入射光进行调制。反射式SLM通常包括能够反射入射光的可寻址图像元件(象素)的区域或二维阵列。SLM的一个关键参数(特别是在显示器应用中)是光学有效面积在象素面积中所占部分(也指SLM的反射性表面积占SLM总表面积的比例，也称为“填充率”)。高填充率是期望得到的。

现有技术的SLM有各种缺点。这些缺点包括但不限于：(1)低于最优值的光学有效面积，其降低了光学效率；(2)粗糙的反射表面，其降低了反射镜的反射率；(3)衍射和散射，其降低了显示器的对比度；(4)使用了长期使用可靠性有问题的材料；以及(5)复杂的制造工艺，其增加了开支并降低了器件的成品率。

许多现有技术的器件在其表面上包括基本上是非反射性的区域。这导致了低填充率并导致低于最优值的反射效率。例如美国专利4,229,732公开的MOSFET器件，除了反射镜外还要在器件表面上形成该MOSFET器件。这些MOSFET器件占据了表面积，减少了光学有效的器件区域所占的部分并降低了反射效率。器件表面上的MOSFET器件还使入射光发生衍射，降低了显示器的对比度。此外，照射到暴露的MOSFET器件的强光由于使MOSFET器件带电和使电路过热而干扰了器件的正常操作。

某些SLM设计具有粗糙表面，使入射光散射并降低了反射效率。例如，在某些SLM设计中，反射表面是沉积在LPCVD氮化硅层上的铝膜。当其以薄膜沉积时，难以控制这些反射镜表面的光洁度。因此，最终产品具有粗糙的表面，降低了反射效率。

在某些SLM设计中，特别是某些顶部悬挂反射镜的设计中，降低反射效率的另一个问题是暴露的铰链表面积较大。这些暴露的铰链表面积导致由铰链结构引起的散射和衍射，这除了对其他参数外还对对比度有负面影响。

许多传统的SLM(例如美国专利4,566,935中公开的SLM)具有铝合金制成的铰链。铝和其他金属易受疲劳和塑性变形影响，而疲劳和塑性变形可能引起长期可靠性问题。此外，铝易受晶胞“记忆”的影响，即其余位置开始朝向其最常占据的位置倾斜。另外，4,566,935专利中公开的反射镜要通过去除反射镜表面下方的牺牲材料而释出。这种技术经常在释出过程中导致精密的微反射镜结构断裂。其还需要在反射镜之间留出较大间隙以用刻蚀剂去除反射镜下方的牺牲材料，这降低了器件的光学有效面积所占的部分。

其他传统SLM需要多个层，包括用于反射镜、铰链、电极和/或控制电路的单独的层。制造这样的多层SLM需要使用多层薄膜堆叠及刻蚀的技术和工艺。使用这些技术和工艺价格昂贵并降低了成品率。例如，使用这些技术经常包括大面积沉积和去除反射镜片的表面下方的牺牲材料。在反射镜片的表面下方进行多层薄膜沉积和堆叠通常会导致更粗糙的反射镜表面，从而降低了反射镜的反射效率。此外，使反射镜和铰链处于不同层或衬底中会在反射镜偏转时引起平移。由于平移，必须将阵列中的反射镜间隔开以避免邻近反射镜之间的机械干涉。因为阵列中的反射镜不能与阵列中的其他反射镜靠得太近，所以SLM会遭受光学有效面积低于最优值或填充率降低的损失。

所期望的SLM具有提高的反射效率、SLM器件的长期可靠性以及简化的制造工艺。

发明内容

本发明涉及空间光调制器(SLM)。在一种实施例中，SLM具有由第一衬底制造的反射式可选择性偏转的微反射镜阵列，该第一衬底结合到具有独立可寻址电极的第二衬底。第二衬底也可以具有用于微反射镜阵列的寻址和控制电路。或者，部分寻址和控制电路位于单独的衬底上并连接到第二衬底上的电路和电极。

微反射镜阵列包括具有高反射性表面以反射入射光的可控偏转的反射镜片。反射镜片用连接器连接到铰链。铰链接着由隔板支撑壁连接到隔板支撑框架。铰链基本上遮蔽在反射表面下。通过将铰链基本上隐藏在反射表面以下，消除了由于光照射到暴露的铰链结构及从其反射离开而引起的散射和衍射量，从而使器件的对比度最大化。

反射镜片、连接器、铰链、隔板支撑框架和隔板支撑壁由第一衬底制造。第一衬底是单一材料的晶片，在一种实施例中是单晶硅。隔板支撑壁在反射镜片和与该反射镜片相关并控制该反射镜片偏转的电极之间设置间隔。电极位于第二衬底上，并且第二衬底结合到微反射镜阵列。

由于铰链和反射镜片处于同一衬底中(即同一层中)，所以当反射镜围绕铰链纵轴旋转时没有平移或位移。由于没有平移，反射镜和支撑壁之间的间隙只受制造技术和工艺的限制。反射镜片的间距很近和将铰链基本上定位在反射表面下方的隐藏手段使微反射镜阵列可以获得高填充率、提高的对比度、光的散射和衍射最小化，并基本上消除了穿过微反射镜阵列照射第二衬底上的电路的光。

此外，由于在优选实施例中反射镜片和铰链由单晶硅材料制成，所以铰链更坚固、更可靠，并且基本上不受记忆效应、沿着晶界的断裂或疲劳影响。单晶硅衬底与其他材料特别是沉积薄膜相比，微小的缺陷和裂缝明显更小。结果，在器件中沿着晶界断裂(或传播微小的断裂)的可能性更小。而且，像本发明中这样使用单个衬底还将多层薄膜堆叠及刻蚀工艺和技术的使用减至最少。

最终结果是SLM可实现高光学效率并获得可靠且节省成本地产生高质量图像的性能。

附图说明

图1是图示了根据本发明一种实施例的空间光调制器总体结构的示意图。

图2a是本发明一种实施例中单个微反射镜的立体图。

图2b是图2a的微反射镜角部的立体图。

图3是不带反射表面的单个微反射镜的立体图，示出了本发明一种实施例中微反射镜阵列的反射镜片顶部和侧面。

图4a是示出本发明一种实施例中单个微反射镜底部和侧面的立体图。

图4b是图4a的微反射镜角部的立体图。

图5是示出本发明一种实施例中微反射镜阵列的顶部和侧面的立体图。

图6是示出本发明一种实施例中微反射镜阵列的底部和侧面的立体图。

图7a是图2a中所示未偏转的微反射镜沿着偏离对角线的截面所取的截面图。

图7b是本发明一种实施例中第二衬底中所形成的反射镜片下方的电极和搭接触点的俯视图。

图7c是图2a中所示未偏转的微反射镜沿着中心对角线截面所取的截面图。

图8是图2a中所示偏转的微反射镜的截面图。

图9a是示出微反射镜可替换实施例的顶部和侧面的立体图。

图9b是图9a的微反射镜角部的立体图。

图10是示出微反射镜可替换实施例的底部和侧面的立体图。

图11是示出微反射镜阵列可替换实施例的顶部和侧面的立体图。

图12是示出微反射镜阵列可替换实施例的底部和侧面的立体图。

图13是第二衬底上形成的电极的一种实施例的立体图。

具体实施方式

反射式空间光调制器(“SLM”)100具有可偏转反射镜202的阵列103。可以通过在反射镜202与相应的电极126之间施加电压偏置来选择性地偏转独立的反射镜202。每个反射镜202的偏转控制从光源反射到视频显示器的光。因此，控制反射镜202的偏转可使照射到该反射镜202的光在选定的方向上反射，并从而可控制视频显示器中的象素外观。

空间光调制器概况：

图1是图示了根据本发明一种实施例的SLM 100总体结构的示意图。所图示的实施例有三层。第一层是具有多个可偏转微反射镜202的反射镜阵列103。在一种优选实施例中，微反射镜阵列103由单一材料(例如单晶硅)的第一衬底105制造。

第二层是电极阵列104，其具有多个电极126用于控制微反射镜202。每个电极126与一个微反射镜202相关并控制该微反射镜202的偏转。寻址电路使得可以选择单个电极126用于控制与该电极126相关的特定微反射镜202。

第三层是控制电路106的层。此控制电路106具有寻址电路，这使控制电路106可以控制将电压施加到选定的电极126上。这使控制电路106可以通过电极126控制反射镜阵列103中反射镜202的偏转。通常控制电路106还包括显示控制108、线缓存(line memory buffer)110、脉宽调制阵列112以及用于视频信号120和图形信号122的输入。微控制器114、光学器件控制电路116和闪存118可以是连接到控制电路106的外部元件，在某些实施例中也可以包括在控制电路106中。在各种实施例中，控制电路106的上面列出的部分中的一些可以没有，也可以置于单独的衬底上并连接到控制电路106，或者也可以有其他附加元件作为控制电路106的一部分或连接到控制电路106。

在一种实施例中，第二层104和第三层106都是用半导体制造技术在单个第二衬底107上制造的。就是说，第二层104不必与第三层106分开并位于其上方。更确切地说，术语“层”只是为了帮助形成空间光调制器100不同部分的概念。例如，在一种实施例中，电极126的第二层104是在控制电路106的第三层顶部制造的，两个层都在单个第二衬底107上制造。就是说，在一种实施例中，电极126以及显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112都在单个衬底上制造。将控制电路106的几个功能元件集成在同一衬底上具有提高数据传输速率超过传统空间光调制器(其中显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112都在单独的衬底上制造)的优点。此外，在单个衬底107上制造电极阵列104的第二层和控制电路106的第三层还具有简单、制造便宜以及最终产品结构紧凑的优点。

在制造层103和107后，将其结合在一起形成SLM 100。有反射镜阵列103的第一层覆盖共同组成107的第二层104和第三层106。反射镜阵列103中反射镜202下方的区域决定了第一层103下方有多少空间可用于电极126以及寻址和控制电路106。反射镜阵列103中的微反射镜202下方只有有限的空间用于安置电极126以及形成显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112的电子元件。本发明将多得多的部分(如与电极126处于同一衬底上的显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112)集成在微反射镜阵列103中的微反射镜下方的有限区域内。包括与电极126位于同一衬底107上的此控制电路106可提高SLM 100的性能。在其他实施例中，可以在不同的衬底上制造并电连接电极126与控制电路元件的各种组合。

反射镜：

图2a是单个微反射镜202的一种实施例的立体图，图2b是图2a中所示微反射镜202的角部236的更详细的立体图。在一种优选实施例中，微反射镜202包括至少一个反射镜片204、铰链206、连接器216和反射表面203。在可替换实施例中，微反射镜202还包括隔板支撑框架210，用于支撑反射镜片204、铰链206、反射表面203和连接器216。优选地，反射镜片204、铰链206、连接器216和隔板支撑框架210用例如单晶硅的单一材料晶片制造。这样，此实施例中的图1所示第一衬底105是单晶硅晶片。用单一材料晶片制造微反射镜202使反射镜202的制造大大简化。此外，可以对单晶硅进行抛光以产生光洁的反射镜表面，其表面粗糙度比沉积膜要光洁一个数量级。由单晶硅制成的反射镜202在机械上是刚性的，可防止反射镜表面不希望的弯曲或扭曲，并且由单晶硅制成的铰链更坚固、更可靠，基本上不受记忆效应、沿晶界的断裂或疲劳(这些在由微反射镜阵列中所用的许多其他材料制成的铰链中都是常见的)的影响。在其他实施例中，可以用其他材料代替单晶硅。一种可能性是将另一类型的硅(例如多晶硅或非晶硅)用于微反射镜202，甚至也可以完全用金属(例如铝合金或钨合金)制造反射镜202。此外，像本发明中这样使用单个衬底避免了使用多层薄膜堆叠和刻蚀工艺及技术。

如图2a-b、3、4a-b、7a和8所示以及如上所述，微反射镜202具有反射镜片204。此反射镜片204是微反射镜202的一部分，该部分用连接器216耦合到铰链206并通过在反射镜202与相应电极126之间施加电压偏置而选择性地偏转。图3所示的实施例中反射镜片204包括三角形部分204a和204b。在图9a、9b和10所示的实施例中，反射镜片204基本是方形，大约十五微米乘十五微米，面积约225平方微米，但也可以是其他形状和尺寸。反射镜片204具有上表面205和下表面201。上表面205优选为均方根粗糙度小于2埃的高光洁表面，并优选地构成微反射镜片204表面积的大部分。在反射镜片204的上表面205上以及部分铰链206上方沉积有反射材料203，例如铝或任何其他高反射材料。此反射材料203优选地具有300埃或更小的厚度。反射材料或表面203的厚度确保其沿袭了上表面205平坦光洁的表面。此反射表面203的面积大于反射镜片204的上表面205的面积，并以由反射镜片204偏转所确定的角度反射来自光源的光。注意扭转弹簧铰链206基本上形成于反射镜片204的上表面205下方，并基本上被沉积在上表面205上以及部分铰链206上方的反射表面203遮蔽。图2a与图3之间的不同在于图2a图示的反射镜片204带有上表面205上所增加的基本遮蔽铰链206的反射表面203，而图3图示的反射镜片204没有反射表面203，因而没有遮蔽铰链206。由于铰链206和反射镜片204位于同一衬底105中，并且如图7a和7b所示，铰链206的中心高796基本上与反射镜片204的中心高795或797共面，所以当反射镜202围绕铰链206的纵轴旋转时没有平移或位移。由于没有平移，反射镜片204与隔板支撑框架210的隔板支撑壁之间的间隙只需受到制造技术和工艺的限制，通常小于0.1微米。反射镜片204的间距很近并且铰链206基本隐藏在反射表面203之下可以使微反射镜阵列103获得高填充率、提高的对比度、光的散射和衍射最小化，并基本上消除了穿过微反射镜阵列103照射到第二衬底107上的电路的光。

如图2a-b、3、4a-b、7a、8、9a、9b和10所示，反射镜片204由连接器216连接到扭转弹簧铰链206。扭转弹簧铰链206连接到隔板支撑框架210，该隔板支撑框架210将扭转弹簧铰链206、连接器216和反射镜片204保持在合适位置。铰链206包括第一臂206a和第二臂206b。如图3和10所示，每个臂206a和206b有两个末端，一个末端连接到隔板支撑框架210而另一个末端连接到连接器216。在可替换实施例中也可以将其他的弹簧、铰链和连接方案用于反射镜片204、铰链206和隔板支撑框架210之间。如图3和4a所给出的最为清楚的图示，扭转铰链206优选地定向为相对隔板支撑框架210的对角方向(例如成45度角)，并将反射镜片204分为两部分或两侧：第一侧204a和第二侧204b。如图7b所示，两个电极126与反射镜202相关，一个电极126用于第一侧204a而另一个电极126用于第二侧204b。这使得任一侧204a和204b都可被吸引到下方的电极126a或126b之一并向下摆动，从而提供了宽范围的角运动。扭转弹簧铰链206使得当通过在反射镜202与相应电极126之间施加电压而将例如静电力的力施加到反射镜片204时，反射镜片204可以围绕铰链206的纵轴相对于隔板支撑框架210旋转。此旋转产生角度偏转以在选定的方向上反射光。由于铰链206和反射镜片204在同一衬底105中，并且如图7a和7b所图示，铰链206的中心高796与反射镜片204的中心高795或797基本共面，所以反射镜202围绕铰链206的运动是纯转动而没有平移。在图7a和8所示的一种实施例中，扭转弹簧铰链206的宽度222小于铰链206(垂直于反射镜片204的上表面205)的深度223。铰链206的宽度222优选为约0.12微米到约0.2微米之间，深度223优选为约0.2微米到约0.3微米之间。

如图2a-b、3、4a-b、6和7a所示，隔板支撑框架210将反射镜片204定位在电极126和寻址电路上方的预定距离处，使得反射镜片204可以向下偏转到预定的角度。隔板支撑框架210包括隔板支撑壁，这些隔板支撑壁如图2a、4a、9a和10所示优选地由同一第一衬底105形成并优选地正交布置。这些壁还有助于限定隔板支撑框架210的高度。隔板支撑框架210的高度是根据反射镜片204与电极126之间的期望距离和电极的形貌设计来选择的。更大的高度使得反射镜片204可以偏转更多，并有更大的最大偏转角。更大的偏转角通常提供更高的对比度。在一种实施例中，反射镜片204的偏转角是12度。在优选实施例中，如果提供足够的间距和驱动电压，反射镜片204可旋转多达90度。隔板支撑框架210还为铰链206提供支撑并将反射镜片204与反射镜阵列103中的其他反射镜片204分隔开。隔板支撑框架210具有隔板壁宽212，该隔板壁宽212与反射镜片204和隔板支撑框架210之间的间隙相加基本上等于相邻微反射镜202的相邻反射镜片204之间的距离。在一种实施例中，隔板壁宽212为1微米或更小。在一种优选实施例中，隔板壁宽212为0.5微米或更小。这使反射镜片204靠近在一起布置，增大了反射镜阵列103的填充率。

在某些实施例中，微反射镜202包括当镜面204已经向下偏转到预定角度时阻止反射镜片204偏转的元件405a和405b。这些元件通常可包括运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b。如图4a、6、7a、7b、8、10及12所示，当反射镜表面204偏转时，反射镜片204上的运动限位器405a或405b与搭接触点710(710a或710b)相接触。当这种情况发生时，反射镜片204不能进一步偏转。运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b有多种可能的结构。在图4a、6、7a、8、10和12所示的实施例中，运动限位器是附装在反射镜片204下表面201的圆柱形支柱或运动限位器405a或405b，而搭接触点710是第二衬底107上相应的圆形区域。在图7a、7b和8所示的实施例中，搭接触点710a和710b电连接到隔板支撑框架210，并因此相对于运动限位器405a或405b具有零电势差以阻止运动限位器405a或405b分别粘接或焊接到搭接触点710a或710b。从而当反射镜片204相对于隔板支撑框架210旋转到超过预定角度(由运动限位器405a或405b的长度和位置确定)时，机械运动限位器405a或405b将分别与搭接触点710a或710b物理接触，并阻止反射镜片204的任何进一步旋转。

在优选实施例中，运动限位器405a或405b是由第一衬底105制造的，并由与反射镜片204、铰链206、连接器216和隔板支撑框架210相同的材料制成。搭接触点710a或710b也优选地由与运动限位器405a或405b、反射镜片204、铰链206、连接器216以及隔板支撑框架210相同的材料制成。因此，在材料为单晶硅的实施例中，运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b是由具有较长功能寿命的硬材料制成的，这使反射镜阵列103可以长期维持。此外，由于单晶硅是硬材料，运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b可以以运动限位器405a或405b分别与搭接触点710a或710b接触处的较小面积制造，这大大减小了粘合力并使反射镜片204可以自由偏转。此外，这意味着运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b维持相同的电势，防止了运动限位器405a或405b与搭接触点710a或710b处于不同电势时可能由焊接和电荷注入工艺而导致的粘接。本发明不限于用上述元件或技术阻止反射镜片204偏转。可以使用本领域所知的任何元件和技术。

图4a是图示了单个微反射镜202下部的立体图，包括隔板支撑框架210、反射镜片204(包括两侧204a和204b并具有上表面205和下表面201)、铰链206、连接器216以及运动限位器405a和405b。图4b是图4a中所示微反射镜202角部237的更详细的立体图。

图5是示出具有九个微反射镜202-1到202-9的微反射镜阵列103的顶部和侧面的立体图。尽管图5示出的微反射镜阵列103有三行和三列，但是对于总共九个微反射镜202，反射镜阵列103也可以是其他尺寸。通常每个微反射镜202对应于视频显示器上的一个象素。这样，具有更多微反射镜202的更大阵列103提供了具有更多象素的视频显示器。

如图5所示，微反射镜阵列103的表面具有大填充率。就是说，微反射镜阵列103的大部分表面由微反射镜202的反射表面203构成。微反射镜阵列103的表面只有极少部分是非反射性的。如图5所示，微反射镜阵列103表面的非反射性部分是微反射镜202的反射表面203之间的区域。例如，反射镜202-1与202-2之间的区域宽度由隔板支撑壁宽212以及反射镜202-1和202-2的反射镜片204与隔板支撑框架210之间的间隙宽度总和确定。注意，尽管图2a、2b、3、4a和4b中示出的单个反射镜202已描述为具有自己的隔板支撑框架210，但例如反射镜202-1和202-2的反射镜之间通常没有两个单独的相邻隔板支撑框架210。相反，反射镜202-1与202-2之间通常有隔板支撑框架210的一个物理的隔板壁。由于在反射镜片204偏转时没有平移，间隙和隔板壁宽212可以以制造技术所能支持的尽可能小的特征尺寸来制造。这样，在一种实施例中，间隙是0.2微米，而在另一实施例中，间隙是0.13微米或更小。由于半导体制造技术允许更小的特征，隔板支撑框架210的尺寸和间隙可以减小以允许更高的填充率。本发明的实施例允许高填充率。在优选实施例中，填充率是96％甚至更高。

图6是示出具有九个微反射镜的微反射镜阵列103底部和侧面的立体图。如图6所示，微反射镜202的隔板支撑框架210限定了反射镜片204下方的空腔。这些空腔为反射镜片204提供了向下偏转的空间，还在反射镜片204下方留出了较大区域用于安置带有电极126的第二层104和/或带有控制电路106的第三层。图6还示出了反射镜片204(包括两侧204a和204b)的下表面201以及隔板支撑框架210、扭转弹簧铰链206、连接器216以及运动限位器405a和405b的底部。

如图5和6中可见，极少垂直于反射镜片204的光可以穿过微反射镜阵列103到达微反射镜阵列103下方的任何电极126或控制电路106。这是因为隔板支撑框架210以及反射表面203(该反射表面203位于反射镜片204的上表面205上和部分铰链206上方)为微反射镜103下方的电路提供了几乎完整的遮蔽。此外，由于隔板支撑框架210将反射镜片204与微反射镜阵列103下方的电路分开，所以以非直角的角度行进到反射镜片204并穿过反射镜片204的光很可能照射到隔板支撑框架210的壁而不会到达微反射镜阵列103下方的电路。由于几乎没有入射到反射镜阵列103上的强光会到达电路，SLM 100避免了与强光照射电路相关的问题。这些问题包括入射光加热电路以及入射光的光子使电路元件带电，二者都可引起电路故障。

图9a是根据本发明可替换实施例的微反射镜202的立体图，图9b是微反射镜202的角部238更详细的立体图。此实施例中的扭转铰链206平行于隔板支撑框架210的隔板支撑壁。通过在反射镜片204与相应电极126之间施加电压偏置而可选择地使反射镜片204朝向电极偏转。对于相同的支撑壁高，图9a所示的实施例比图2a和2b中所示具有对角铰链206的反射镜202提供更小的总的角运动范围。不过，如同图2a和2b中所示的实施例，图9a和9b所示的实施例中铰链206在反射镜片204的上表面205之下并被反射表面203遮蔽，导致SLM 100具有高填充率、高光学效率、高对比度、低的光衍射和反射、可靠以及节约成本的性能。图9b是微反射镜202角部更详细的立体图并图示了反射镜片204、铰链206、隔板支撑框架210的支撑壁以及反射表面203。图10图示了单个微反射镜202的下部，包括铰链206、连接器216和运动限位器405a。在其他实施例中，铰链206可以基本平行于反射镜片204的两侧之一并仍然布置为将反射镜片204分为两部分204a和204b。图11和12提供了由多个图9a、9b和10中所述的微反射镜202组成的反射镜阵列的立体图。

图13是形成于第二衬底107上的电极126的一种实施例的立体图。在此实施例中，每个微反射镜202具有相应的电极126。图示的实施例中电极126被制造为高于第二衬底107上电路的其余部分。在优选实施例中，电极126与第二衬底107上电路的其余部分位于同一水平面。在另一实施例中，电极126延伸到电路上方。在本发明的一种实施例中，电极126是装在微反射镜片下方的单独铝垫。电极的形状取决于微反射镜202的实施方式。例如，在图2a、2b和3中所示的实施例中，反射镜202下方优选地有两个电极126，每个电极126具有图7b中所示三角形的形状。在图9a、9b和10所示的实施例中，反射镜202下方优选地有单个方形电极126。这些电极制造在第二衬底107的表面上。此实施例中电极126较大的表面积导致只需相对较低的寻址电压即可将反射镜片204向下拉到运动限位器上来使反射镜片204产生预定的完全角度偏转。

操作：

在操作中，单独的反射性微反射镜202被选择性地偏转并用于对入射到反射镜202并由其反射的光进行空间调制。

图7a和8图示了沿图2a中虚线251所示的微反射镜202的截面图。注意此截面图偏离微反射镜202的中心对角线，从而图示了铰链206的外形。图7c图示了沿图2a中虚线250所示的微反射镜202的不同截面图。注意此截面图沿着中心对角线，垂直于铰链206。图7c图示了涉及反射镜片204a和204b的连接器216。图7a、7c和8图示了电极126上方的微反射镜202。在操作中，电压施加到反射镜202一侧的电极126上，以控制电极126上方的反射镜片204相应部分(图8中204a一侧)的偏转。如图8所示，当电压施加到电极126时，反射镜片的一半204a被吸引到电极126，而反射镜片的另一半204b由于反射镜片204的结构和刚性而从电极126和第二衬底107移开。这使反射镜片204围绕扭转弹簧铰链206旋转。当从电极126撤去电压时，铰链206使反射镜片204跳回图7a所示的非偏置位置。或者，在带有图2a、2b和3所示的对角铰链206的实施例中，可以将电压施加到反射镜片204另一侧的电极126上而使反射镜202在相反方向上偏转。这样，将照射到反射镜202的光在一定的方向上反射，该方向可通过对电极126施加电压来进行控制。

一种实施例如下操作。起初如图7a和7c所示反射镜202未偏转。在此非偏置状态下，来自光源并倾斜入射到SLM 100的入射光束由平坦反射镜202反射。出射的反射光束可由例如光收集器(optical dump)接收。从未偏转的反射镜202反射的光不会反射到视频显示器上。

当在一半反射镜片204a与其下的电极126之间施加电压偏置时，反射镜202由于静电吸引而偏转。在一种实施例中，当反射镜片204a如图8所示向下偏转时，V_c1优选为12伏，V_b为-10伏，且V_c2为0伏。类似地(或相反地)，当反射镜片204b向下偏转时，V_c1优选为0伏，V_b为-10伏而V_c2为12伏。由于铰链206的设计，反射镜片的一侧204a或204b(即具有电压偏置的电极126上方的一侧)向下偏转(朝向第二衬底107)，而反射镜片的另一侧204b或204a从第二衬底107移开。注意在一种优选实施例中，基本上所有的弯曲都发生在铰链206而不是反射镜片204中。在一种实施例中这可通过使铰链宽度222较窄并将铰链206只在两端连接到支撑柱来实现。如上所述，反射镜片204的偏转由运动限位器405a或405b来限制。反射镜片204完全偏转可将出射的反射光束偏转进入成像光学器件和偏转到视频显示器。

当反射镜片204偏转超过“扣合”或“牵引”电压(在一种实施例中约为12伏或更小)时，铰链206的回复机械力或转矩不再平衡静电力或转矩，处于静电力作用下的反射镜片204的一半204a或204b朝向其下的电极126“扣合”以实现完全偏转，这种完全偏转只受所应用的运动限位器405a或405b的限制。在图9a、9b和10中所示铰链206平行于隔板支撑框架210的支撑壁的实施例中，为了将反射镜片204从其完全偏转位置释放，必须关断电压。在图2a、2b和3中所示铰链206对角布置的实施例中，为了将反射镜片204从其完全偏转位置释放，必须在另一电极正在通电且反射镜202吸引到另一侧的同时关断电压。

微反射镜202是机电双稳态器件。在给定释放电压与扣合电压之间的一个具体电压时，反射镜片204有两个可能的偏转角，这取决于反射镜202的偏转历史。因此，反射镜202的偏转就像锁存器。这些双稳态和锁存器特性的存在是由于反射镜202偏转所需的机械力与偏转角大致成线性而对立的静电力与反射镜片204和电极126之间的距离成反比。

由于反射镜片204与电极126之间的静电力依赖于反射镜片204与电极126之间的总电压差，所以施加到反射镜片204的负电压减小了施加到电极126以获得给定偏转量所需的正电压。这样，向反射镜阵列103施加电压可以减小电极126需要的电压大小。这可能是有用的，例如由于在某些应用中希望将必须施加到电极126的最大电压维持在12V以下，因为在半导体工业中5V的开关能力更常见并且更节省成本。

由于固定了反射镜202的最大偏转，所以如果SLM 100在超过扣合电压的电压处操作，其可以以数字方式操作。操作本来就是数字式的，因为在图2a、2b和3所示铰链206平行于隔板支撑框架210的支撑壁的实施例中，反射镜片204或者通过向相关电极126施加电压而完全向下偏转，或者在没有电压施加到相关电极126的情况下被允许向上跳起。在图12a、12b和13所示铰链206对角布置的实施例中，反射镜片204或者通过向反射镜片204一侧的相关电极126施加电压而完全向下偏转，或者当对反射镜片204另一侧上的另一电极126通电时向下偏转到反射镜片204的另一侧。使反射镜片204完全向下偏转直到被阻止反射镜片204偏转的物理元件所阻止的电压称为“扣合”或“牵引”电压。这样，为了使反射镜片204完全向下偏转，应向相应电极126施加等于或大于扣合电压的电压。在视频显示器应用中，当反射镜片204完全向下偏转时，反射镜片204上的入射光被反射到视频显示器屏幕上的相应象素，该象素变亮。当反射镜片204被允许向上跳起时，光反射到使其不照射视频显示器屏幕的方向上，该象素变暗。

在这样的数字式操作期间，相关反射镜片204已经完全偏转之后，就不必在电极126上保持完全扣合电压。在“寻址阶段”，与应当完全偏转的反射镜片204相对应的选定电极126所用的电压被设定为偏转反射镜片204所需的水平。在该反射镜片204已由于电极126上的电压而偏转后，将反射镜片204维持在偏转位置所需的电压小于实际偏转所需的电压。这是因为偏转的反射镜片204与寻址电极126之间的间隙比反射镜片204处于被偏转过程中时更小。因此，在寻址阶段之后的“维持阶段”，施加到选定电极126的电压可由其开始所需的水平减小而基本上不影响反射镜片204的偏转状态。具有更低的维持阶段电压的一个优点是附近的未偏转反射镜片204只受更小的静电吸引力影响，因此其保持在更加接近于零偏转的位置处。这提高了偏转的反射镜片204与未偏转的反射镜片204之间的光学对比度。

通过适当选择外形尺寸(在一种实施例中，由反射镜结构和偏转角度的需求所确定的反射镜片204与电极126之间的隔板支撑框架210间距是1到5微米，铰链206的厚度是0.05到0.45微米)和材料(例如单晶硅(100))，可以使反射式SLM 100的操作电压仅有几伏。由单晶硅制成的扭转铰链206的剪切模量可以是例如每平方米每弧度5×10¹⁰牛顿。通过将反射镜片204保持在合适电压下(“负偏置”)而不是接地，可以使电极126操作来使相关反射镜片204完全偏转的电压甚至更小。对于施加到电极126的指定电压，这导致更大的偏转角。最大负偏置电压是释放电压，所以当寻址电压减小到零时，反射镜片204可以跳回未偏转的位置。

还可以以更加“模拟”的方式控制反射镜片204偏转。施加小于“扣合电压”的电压以偏转反射镜片204并控制入射光反射的方向。

可替换的应用：

除了视频显示器外，空间光调制器100还可用于其他应用中。这样的一种应用是无掩模光刻，其中空间光调制器100对光进行导向以使沉积的光刻胶显影。这就不再需要用于将光刻胶以所希望的图案正确显影的掩模。

尽管已经参考多个实施例具体示出并说明了本发明，但本领域技术人员将理解到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。例如，反射镜片204也可以通过除了静电吸引以外的其他方法来偏转。反射镜片204可以替换为用磁、热或压电驱动来偏转。

Claims

1.一种微反射镜，包括：

反射镜片，所述反射镜片具有上表面和下表面；

铰链，所述铰链连接到所述反射镜片，以允许所述反射镜片相对于所述铰链的纵轴旋转；以及

反射表面，所述反射表面位于所述反射镜片的所述上表面上和所述铰链的一部分上方，所述反射表面的面积大于所述反射镜片的所述上表面的面积，

其中，所述铰链形成于所述反射镜片的所述上表面的下方，并被所述反射表面遮蔽。

2.根据权利要求1所述的微反射镜，还包括隔板支撑框架，所述铰链连接到所述隔板支撑框架。

3.根据权利要求2所述的微反射镜，其中所述铰链具有第一臂和第二臂，每个臂具有两个末端，一个末端连接到所述隔板支撑框架，另一个末端连接到所述反射镜片的连接器。

4.根据权利要求1所述的微反射镜，其中所述反射镜片和所述铰链用单块材料制成。

5.根据权利要求2所述的微反射镜，其中所述反射镜片、所述铰链和所述隔板支撑框架由单块材料制成。

6.根据权利要求4所述的微反射镜，其中所述材料是单晶硅。

7.根据权利要求1所述的微反射镜，其中所述铰链是宽度在0.12微米到0.2微米之间、且深度在0.2微米到0.3微米之间的扭转弹簧。

8.根据权利要求1所述的微反射镜，还包括运动限位器，所述运动限位器附装到所述反射镜片的所述下表面用于阻止所述反射镜片围绕所述铰链的所述纵轴的旋转超过预定角度。

9.根据权利要求2所述的微反射镜，其中所述隔板支撑框架包括至少一个壁用于支撑所述反射镜片，所述壁的厚度为1微米或更小。

10.根据权利要求2所述的微反射镜，还包括控制衬底，所述控制衬底连接到所述隔板支撑框架并具有用于承受电压的电极，所述电压用于在所述反射镜片与所述电极之间施加偏置以使所述微反射镜的所述反射镜片可控地偏转。

11.根据权利要求10所述的微反射镜，其中所述铰链将所述反射镜片分为第一部分和第二部分，使得当所述反射镜片的所述第一部分由于所述反射镜片围绕所述铰链限定的所述纵轴旋转而朝向所述控制衬底运动时，所述反射镜片的所述第二部分从所述控制衬底移开。

12.根据权利要求9所述的微反射镜，其中所述隔板支撑框架具有四个正交定位的壁用于支撑所述反射镜片和所述铰链以及所述反射镜片围绕所述铰链限定的轴的旋转。

13.根据权利要求9所述的微反射镜，其中所述铰链平行于所述隔板支撑框架的所述壁。

14.根据权利要求9所述的微反射镜，其中所述铰链相对于所述隔板支撑框架成对角定向。

15.一种微反射镜阵列，包括：

多个反射镜片，反射镜片具有上表面和下表面；

多个铰链，铰链耦合到所述反射镜片以允许所述反射镜片围绕所述铰链限定的轴相对于隔板支撑框架旋转；以及

多个反射表面，反射表面位于所述反射镜片的所述上表面上和所述铰链的一部分上方，所述反射表面的面积大于所述反射镜片的所述上表面的面积，

16.根据权利要求15所述的微反射镜阵列，还包括隔板支撑框架，所述隔板支撑框架具有限定了多个空腔的壁，每个空腔对应于一个微反射镜。

17.根据权利要求16所述的微反射镜阵列，其中所述反射镜片、所述铰链和所述隔板支撑框架由单块材料制成。

18.根据权利要求17所述的微反射镜阵列，其中所述材料是单晶硅。

19.根据权利要求15所述的微反射镜阵列，还包括多个运动限位器，运动限位器附装到所述反射镜片的所述下表面，用于当所述反射镜片旋转到预定角度时阻止所述反射镜片相对于所述隔板支撑框架旋转。

20.根据权利要求16所述的微反射镜阵列，还包括控制衬底，所述控制衬底连接到所述隔板支撑框架并具有与所述多个反射镜片中每一个相对应的至少一个电极以用于承受电压，所述电压用于在所述反射镜片与所述电极之间施加偏置以使所述微反射镜的所述反射镜片可控地偏转。

21.根据权利要求20所述的微反射镜阵列，其中所述铰链将所述反射镜片分为第一部分和第二部分，使得当所述反射镜片的所述第一部分由于所述反射镜片围绕所述铰链限定的轴旋转而朝向所述控制衬底运动时，所述反射镜片的所述第二部分从所述控制衬底移开。

22.根据权利要求20所述的微反射镜阵列，其中所述控制衬底还包括寻址和控制电路用于将电压选择性地施加到所述多个电极上以选择性并可控地使所述阵列中的所述反射镜片偏转。

23.根据权利要求15所述的微反射镜阵列，其中阵列中的所述反射表面构成所述阵列多达94.5％的表面积。

24.一种多个微反射镜的阵列，包括：

第一微反射镜，所述第一微反射镜包括

第一反射镜片，所述第一反射镜片具有第一上表面和第一下表面，

第一铰链，所述第一铰链连接到所述第一反射镜片以允许所述第一反射镜片相对于所述第一铰链的纵轴旋转，和

第一反射表面，所述第一反射表面位于所述第一反射镜片的所述第一上表面上和所述第一铰链上方，所述第一反射表面的面积大于所述第一反射镜片的所述第一上表面的面积；以及

第二微反射镜，所述第二微反射镜包括

第二反射镜片，所述第二反射镜片具有第二上表面和第二下表面，

第二铰链，所述第二铰链连接到所述第二反射镜片以允许所述第二反射镜片相对于所述第二铰链的纵轴旋转，和

第二反射表面，所述第二反射表面位于所述第二反射镜片的所述第二上表面上和所述第二铰链上方，所述第二反射表面的面积大于所述第二反射镜片的所述第二上表面的面积，

其中，所述第一铰链形成于所述第一反射镜片的所述第一上表面的下方，并被所述第一反射表面遮蔽，所述第二铰链形成于所述第二反射镜片的所述第二上表面的下方，并被第二所述反射表面遮蔽。

25.根据权利要求24所述的多个微反射镜的阵列，其中所述第一微反射镜和所述第二微反射镜还包括隔板支撑框架，所述第一铰链连接到所述隔板支撑框架以用于所述第一微反射镜，并且所述第二铰链连接到所述隔板支撑框架以用于所述第二微反射镜。

26.根据权利要求24所述的多个微反射镜的阵列，其中所述第一反射镜片和第二反射镜片的形状是方形。

27.根据权利要求24所述的多个微反射镜的阵列，其中所述第一反射镜片和第二反射镜片的形状是三角形。

28.根据权利要求24所述的多个微反射镜的阵列，其中所述第一上表面和第二上表面的面积为225平方微米。

29.一种操作微反射镜阵列的方法，包括：

提供微反射镜阵列，所述微反射镜阵列包括：

多个反射镜片，反射镜片具有上表面和下表面；

其中，所述铰链形成于所述反射镜片的所述上表面的下方，并被所述反射表面遮蔽；

选择所述阵列中的微反射镜进行偏转；

对与所选择的微反射镜相对应的电极施加电压来使所述微反射镜围绕铰链旋转，并允许照射到所述微反射镜的光在期望的方向上反射；并且

其中所述微反射镜还具有隔板支撑框架，所述反射表面沉积在所述反射镜片上，各个所述铰链、反射镜片和隔板支撑框架由单块材料制成。

30.根据权利要求29所述的操作微反射镜阵列的方法，还包括从与所选择的微反射镜相对应的所述电极撤去电压以允许所述微反射镜返回未偏置的位置。

31.根据权利要求29所述的操作微反射镜阵列的方法，还包括用运动限位器阻止所述微反射镜围绕所述铰链旋转。

32.一种空间光调制器，包括：

用于选择微反射镜阵列中的微反射镜进行偏转的装置，所述微反射镜阵列包括：

多个反射镜片，反射镜片具有上表面和下表面；

用于对与所选择的微反射镜相对应的电极施加电压来使所述微反射镜围绕铰链旋转的装置，并允许照射到所述微反射镜的光在期望的方向上反射；并且

33.根据权利要求32所述的空间光调制器，还包括用于从与所选择的微反射镜相对应的所述电极撤去电压以允许所述微反射镜返回无偏置位置的装置。

34.一种空间光调制器，包括：

用于偏转的装置，所述偏转装置具有上表面；

用于使所述偏转装置围绕轴旋转的装置；以及

用于反射光的装置，所述反射装置沉积在所述偏转装置的所述上表面上和所述旋转装置上方以遮蔽所述旋转装置。