发明内容
本发明解决的问题是提供一种显示装置的开关阵列和显示阵列,以减小布局面积,实现显示装置的小型化和高度集成化。
为解决上述问题,本发明实施方式提供一种显示装置的开关阵列,包括:MxN个微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical systems)开关,其中,M为行数,N为列数,各行的MEMS开关分别由对应的行驱动信号控制,其中,各个MEMS开关在对应的行驱动信号控制下分别输出对应的列数据信号。
为解决上述问题,本发明实施方式还提供一种显示装置的显示阵列,包括:
开关阵列,MxN个MEMS开关,其中,M为行数,N为列数,各行的MEMS开关分别由对应的行驱动信号控制,其中,各个MEMS开关在对应的行驱动信号控制下分别输出对应的列数据信号;
像素阵列,包括MxN个像素单元,分别对应耦接所述MxN个MEMS开关,所述各个像素单元根据对应的MEMS开关输出的列数据信号进行显示。
与现有技术相比,上述技术方案以MEMS开关取代晶体管作为开关元件,其具有以下优点:
MEMS开关结构简单,受工艺因素的影响较小,因此占据的布局面积很小,对于具有数百万甚至上千万像素的显示装置而言,采用MEMS开关可以显著缩小显示芯片的布局面积,进而实现显示装置的小型化和高度集成化。
同一行的MEMS开关很容易整合在一起,更易于行驱动信号的布线和驱动,进一步缩小了显示芯片的布局面积,并且更利于集成于一个微型开关阵列器件中。
产生行驱动信号的驱动电路和产生列数据信号的驱动电路可以分别采用较低电压工艺和较高电压工艺,即用较低电压工艺实现较高电压对存储电容的充放电,从而降低了功耗和成本。
采用MEMS开关的显示装置可以用较小的存储电容来维持一帧图像显示的像素电压,从而提高了显示装置的显示质量和分辨率。
MEMS开关导通时,数据信号直接从第一端流向第二端,可以提供更稳定的充电电流。
MEMS开关集成使得像素的开口率提高,提高了图像质量,并且能进一步减小像素尺寸,使得同等分辨率情况下的整个芯片尺寸减少,从而降低了生产成本。
具体实施方式
本发明实施方式的显示装置的显示阵列以微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical systems)开关取代晶体管作为开关元件,MEMS开关可以整合(merge)在一起形成开关阵列。
MEMS技术是建立在微米/纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术,是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS技术利用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺,可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。MEMS开关是MEMS技术的一种应用,利用半导体硅加工工艺制成的超微型机械开关。
本发明实施方式的显示装置的开关阵列包括MxN个MEMS开关,其中,M为行数,N为列数,各行的MEMS开关分别由对应的行驱动信号控制,其中,各个MEMS开关在对应的行驱动信号控制下分别输出对应的列数据信号。
下面即结合附图和实施例对本发明的实施方式做详细的说明。图2是本实施例显示装置的开关阵列的电路图,示例性地给出了2行x2列的MEMS开关的电路;图3a是本实施例显示装置的开关阵列的结构侧视图,示例性地给出了图2所示第1行的2个MEMS开关的结构;图4是对应图2所示开关阵列的结构俯视图。
结合图2、3a和4,本实施例的开关阵列中,各个MEMS开关分别包括:第一电极E1,具有第一端n1和第二端n2,第一端n1输入对应的列数据信号;第二电极E2,具有导电体n0,对应的行驱动信号控制第一电极E1和第二电极E2相对移动,使第二电极E1的导电体n0导通所述第一电极E1的第一端n1和第二端n2。
如图3a所示,本实施例的MEMS开关的第一电极E1形成于基板30上,基板30包括衬底30a(例如硅衬底)和衬底30a表面的第一绝缘层30b(例如二氧化硅绝缘层),第一绝缘层30b具有开口。第一电极E1包括:相互绝缘的第一极板(例如铝极板)E11、第一端n1和第二端n2。其中,第一极板E11形成于基板30的第一绝缘层30b表面,第一端n1和第二端n2分别形成于基板30的第一绝缘层30b开口的侧面。
第二电极E2与第一电极E1相对设置,第二电极E2包括:相互绝缘的第二极板(例如铝极板)E21和导电体n0。其中,第二极板E21和第一极板E11相对设置;第二电极E2还包括第二绝缘层(例如氮化硅绝缘层)31a,形成于第二极板E21相对于第一极板E11的表面、并且暴露出第二极板E21对应于第一极板E11的表面E21a;第二绝缘层31a具有开口,设置于对应第一绝缘层30b开口的位置;导电体n0形成于第二绝缘层31a的开口中,第二绝缘层31a使第二极板E21和导电体n0相互绝缘。第二电极E2的导电体n0与第一电极E1的第一端n1、第二端n2之间具有垂直距离h,在MEMS开关没有被选通时,导电体n0与第一端n1、第二端n2不接触。
行驱动信号G1通过行线L1施加于MEMS开关S11的第二电极E2的第二极板E21和MEMS开关S12的第二电极E2的第二极板E21;行驱动信号G2通过行线L2施加于MEMS开关S21的第二电极E2的第二极板E21和MEMS开关S22的第二电极E2的第二极板E21。列数据信号D1通过列线R1施加于MEMS开关S11的第一电极E1的第一端n1和MEMS开关S21的第一电极E1的第一端n1;列数据信号D2通过列线R2施加于MEMS开关S12的第一电极E1的第一端n1和MEMS开关S22的第一电极E1的第一端n1。
当选通MEMS开关S11和S12时,行驱动信号G1为正脉冲,MEMS开关S11和S12的第一电极E1的第一极板E11和第二电极E2的第二极板E21之间产生电压差(第一极板E11为低电压,第二极板E21为高电压),第一极板E11和第二极板E21因静电力吸合,第二电极E2的导电体n0跨接在第一电极E1的第一端n1和第二端n2之间,使得第一端n1和第二端n2导通,列数据信号D1从MEMS开关S11的第一端n1流向第二端n2,即列数据信号D1从MEMS开关S11的第二端n2输出;列数据信号D2从MEMS开关S12的第一端n1流向第二端n2,即列数据信号D2从MEMS开关S12的第二端n2输出。
当选通MEMS开关S21和S22时,行驱动信号G2为正脉冲,MEMS开关S21和S22的第一电极E1的第一极板E11和第二电极E2的第二极板E21之间产生电压差(第一极板E11为低电压,第二极板E21为高电压),第一极板E11和第二极板E21因静电力吸合,第二电极E2的导电体n0跨接在第一电极E1的第一端n1和第二端n2之间,使得第一端n1和第二端n2导通,列数据信号D1从MEMS开关S21的第一端n1流向第二端n2,即列数据信号D1从MEMS开关S21的第二端n2输出;列数据信号D2从MEMS开关S22的第一端n1流向第二端n2,即列数据信号D2从MEMS开关S22的第二端n2输出。
当MEMS开关没有被选通时,MEMS开关的第一电极E1的第一极板E11和第二电极E2的第二极板E21之间没有电压差(第一极板E11和第二极板E21为低电压),第一极板E11和第二极板E21因恢复力分开,第一端n1和第二端n2处于断开状态。
开关阵列的MEMS开关的第一电极E1可以形成于同一基板上,并且第一电极E1的第一极板E11可以形成同一极板。由于同一行的MEMS开关同时选通,因此,同一行的MEMS开关的第二电极E2的第二极板E21可以形成同一极板,而不同行的MEMS开关的第二电极E2的第二极板E21形成不同极板。结合图2、3a和4,MEMS开关S11、S12、S21和S22的第一电极E1形成于同一基板30上,并且第一电极E1的第一极板形成同一极板40,MEMS开关S11、S12的第二电极E2的第二极板形成同一极板31,MEMS开关S21、S22的第二电极E2的第二极板形成同一极板32。
本实施例中,极板3 1由支撑体3 1b连接至基板30,极板32由支撑体32b连接至基板30,使得极板31、32可以相对于基板30移动。当行驱动信号G1选通MEMS开关S11和S12时,极板31向基板30移动,即MEMS开关S11和S12的第二电极E2向第一电极E1移动,使第二电极E1的导电体n0导通所述第一电极E1的第一端n1和第二端n2;当MEMS开关S11和S12没有选通时,极板31脱离基板30。当行驱动信号G2选通MEMS开关S21和S22时,极板32向基板30移动,即MEMS开关S21和S22的第二电极E2向第一电极E1移动,使第二电极E1的导电体n0导通所述第一电极E1的第一端n1和第二端n2;当MEMS开关S21和S22没有选通时,极板32脱离基板30。
对于本领域技术人员而言,开关阵列的结构并不限于上述实施例所述,其可以有多种不同结构和连接变换,例如:
在其它实施例中,MEMS开关也可以是如下所述的结构,包括:第一电极,具有导电体;第二电极,具有第一端和第二端,所述第一端输入列数据信号,所述行驱动信号控制所述第一电极和第二电极相对移动,使所述第一电极的导电体导通所述第二电极的第一端和第二端。
本实施例中,同一行的MEMS开关的第二电极的第二极板形成同一极板,不同行的MEMS开关的第二电极的第二极板形成不同极板。在其它实施例中,考虑到列线的布线合理性,同一行的预定列数的MEMS开关的第二电极的第二极板形成同一极板,例如同一行的第1至10个MEMS开关的第二电极的第二极板形成一极板,第11至20个MEMS开关的第二电极的第二极板形成另一极板,......。另外,也可以是同一行的MEMS开关的第一电极的第一极板形成同一极板,不同行的MEMS开关的第一电极的第一极板形成不同极板;或者,各个MEMS开关的第一电极的第一极板分别为不同的极板,第二电极的第二极板分别为不同的极板。
本实施例中,具有正脉冲的行驱动信号施加于第二电极的第二极板上,而第一电极的第一极板施加低电压,在其它实施例中,也可以有其它方式实现MEMS开关被选通时,被选通MEMS开关的第一电极的第一极板和第二电极的第二极板间有电压差。例如,具有负脉冲的行驱动信号施加于第二电极的第二极板上,而第一电极的第一极板施加高电压。又如,当同一行的MEMS开关的第一电极的第一极板形成同一极板,不同行的MEMS开关的第一电极的第一极板形成不同极板,具有正脉冲的行驱动信号可以施加于第一电极的第一极板上,而第二电极的第二极板施加低电压;或者,具有负脉冲的行驱动信号可以施加于第一电极的第一极板上,而第二电极的第二极板施加高电压。
另外,导电体的结构也不限于本实施例所示的填充在第二绝缘层开口中的倒梯形凸块结构,还可以是其他的结构,只要能够实现当第二电极相对于第一电极移动而使导电体连接(导通)第一端和第二端即可,例如图3b所示的导电体n0’,当第二电极E2相对于第一电极E1移动,第二电极E2的导电体n0’跨接在第一电极E1的第一端n1和第二端n2之间。
本发明实施方式的显示装置的显示阵列包括开关阵列和像素阵列。
开关阵列,包括MxN个MEMS开关,其中,M为行数,N为列数,各行的MEMS开关分别由对应的行驱动信号控制,输出对应的列数据信号;
像素阵列,包括MxN个像素单元,分别对应耦接所述MxN个MEMS开关,所述各个像素单元根据对应的MEMS开关输出的列数据信号进行显示。
MEMS开关耦接对应的像素单元,其中,像素单元的发光光源可以是液晶分子、可旋转微镜、相干微镜、有机发光二极管、电泳颗粒或者电弧管等。
图5是本发明显示装置的显示阵列的一个实施例电路图,示例性地给出了2行x2列的MEMS开关和像素单元的电路,本实施例的显示装置为透射式液晶投影显示装置。
开关阵列51的各个MEMS开关的结构和连接方式如上所述,在此不予重复。
像素阵列52的各个像素单元分别包括:像素电容Clc和耦接于像素电容Clc的存储电容Cst,对应的MEMS开关输出的列数据信号施加于所述像素电容Clc和存储电容Cst耦接的节点上。其中,像素电容Clc的两个电极间填充有液晶分子。
具体来说,像素单元P11的像素电容Clc的一个电极耦接共用电极(Common Electrode),另一个电极耦接存储电容Cst的一个电极,并耦接MEMS开关S11的第二端n2,存储电容Cst的另一个电极耦接低电压。像素单元P12的像素电容Clc的一个电极耦接共用电极,另一个电极耦接存储电容Cst的一个电极,并耦接MEMS开关S12的第二端n2,存储电容Cst的另一个电极耦接低电压。像素单元P21的像素电容Clc的一个电极耦接共用电极,另一个电极耦接存储电容Cst的一个电极,并耦接MEMS开关S21的第二端n2,存储电容Cst的另一个电极耦接低电压。像素单元P22的像素电容Clc的一个电极耦接共用电极,另一个电极耦接存储电容Cst的一个电极,并耦接MEMS开关S22的第二端n2,存储电容Cst的另一个电极耦接低电压。
当行线L1上的栅驱动信号G1选通MEMS开关S11和S12时,列线R1、R2上的列数据信号D1、D2分别通过MEMS开关S11和S12施加于像素单元P11和P12的存储电容Cst和像素电容Clc;当行线L2上的栅驱动信号G2选通MEMS开关S21和S22时,列线R1、R2上的列数据信号D1、D2分别通过MEMS开关S21和S22施加于像素单元P21和P22的存储电容Cst和像素电容Clc。
像素单元根据对应的MEMS开关输出的列数据信号的电压进行显示。当MEMS开关输出的列数据信号施加于像素单元的存储电容Cst和像素电容Clc时,存储电容Cst充电以保持列数据信号的电压并提供予像素电容Clc,填充于像素电容Clc的两电极间的液晶分子LC发生偏转,其偏转程度由列数据信号的电压决定,不同的液晶分子偏转程度具有不同的二向性光程差,通过与背光源、偏光片等装置的配合可产生不同的光强。
在其它实施例中,显示装置也可以是其他结构与透射式液晶投影显示装置相似的投影显示装置,例如反射式数字光输处理器投影显示装置、反射式硅上液晶投影显示装置,或者平板显示装置,例如,液晶显示装置、有机发光显示装置(OLED)、电泳显示装置、等离子显示装置等,显示阵列的像素单元由行驱动信号逐行或隔行选通,根据列数据信号进行显示。
图6是本发明显示装置的显示阵列的另一个实施例电路图,示例性地给出了2行x2列的MEMS开关和像素单元的电路,本实施例的显示装置为有机发光显示装置,开关阵列61的结构与图5所示液晶显示装置的开关阵列51的结构相同,像素阵列62的像素单元的结构不同于图5所示液晶显示装置的的像素阵列52的像素单元。
如图6所示,各个像素单元分别包括:驱动晶体管T2、有机发光二极管LD1和存储电容Cst1,驱动晶体管T2的栅极耦接存储电容Cst1,漏极耦接有机发光二极管LD1,对应的MEMS开关输出的列数据信号施加于驱动晶体管T2的栅极和存储电容Cst1耦接的节点上。
具体来说,各个像素单元的驱动晶体管T2的栅极耦接存储电容Cst1的一个电极,源极耦接存储电容Cst1的另一个电极、并耦接高电压,漏极耦接有机发光二极管LD1的一端,有机发光二极管LD1的另一端耦接低电压。像素单元P_11的驱动晶体管T2的栅极耦接MEMS开关S11的第二端n2,像素单元P_12的驱动晶体管T2的栅极耦接MEMS开关S12的第二端n2,像素单元P_21的驱动晶体管T2的栅极耦接MEMS开关S21的第二端n2,像素单元P_22的驱动晶体管T2的栅极耦接MEMS开关S22的第二端n2。
像素单元根据对应的MEMS开关输出的列数据信号的电压进行显示。当MEMS开关输出的列数据信号施加于像素单元的存储电容Cst1和驱动晶体管T2的栅极时,存储电容Cst1充电以保持列数据信号的电压并提供予驱动晶体管T2,驱动晶体管T2受存储电容Cst1的电压驱动,以提供驱动电流给有机发光二极管LD1,有机发光二极管LD1接收驱动电流并发出光能,有机发光二极管LD1发出的光亮度取决于驱动电流的大小。
综上所述,相比于现有技术采用晶体管作为开关元件,上述技术方案采用MEMS开关作为开关元件,具有以下优点:
晶体管具有栅极、源极和漏极,受设计规则、关键尺寸和布局等工艺因素的影响,这些晶体管会占据必要的布局面积;而MEMS开关为超微型机械开关,利用导电体接触实现信号传输,其结构简单,受工艺因素的影响较小,因此占据的布局面积很小,对于具有数百万甚至上千万像素的显示装置而言,采用MEMS开关可以显著缩小显示芯片的布局面积,进而实现显示装置的小型化和高度集成化。
由于同一行的像素单元同时选通,即同一行的开关元件同时闭合或断开,并且MEMS开关占据的布局面积很小,因此,同一行的MEMS开关很容易整合在一起,更易于行驱动信号的布线和驱动,进一步缩小了显示芯片的布局面积。并且,晶体管占据较大的布局面积,而MEMS开关占据的布局面积很小,更利于集成于一个微型开关阵列器件中。
晶体管工作时,提供给源极和栅极的高电压相同,由于液晶显示驱动需要较高的高电压(例如+15V),即用较高的电压对存储电容充放电,因此,产生行驱动信号的驱动电路和产生列数据信号的驱动电路都采用较高电压工艺来实现;而MEMS开关采用较低的高电压(例如+5V)的驱动信号就可以产生导通输入端和输出端的电压差,因此,产生行驱动信号的驱动电路和产生列数据信号的驱动电路可以分别采用较低电压工艺和较高电压工艺,也就是说,采用较低电压工艺就可以实现较高电压对存储电容的充放电,从而降低了功耗和成本。
晶体管在没有导通时有漏电流,存储电容除了提供电压给像素电容外,还需要提供晶体管的漏电电压;而MEMS开关在导电体不接触第一端和第二端时是不会有漏电流的,存储电容仅需提供电压给像素电容,因此,采用MEMS开关的显示装置采用较小的存储电容,就可以维持一帧图像显示的像素电压。较小的存储电容有更快的充放电速度,而且由于没有其他漏电路径,像素电容可以迅速地获得预定的像素电压以使液晶分子产生光强,因而提高了显示装置的显示质量。并且,较小的存储电容占据较少的布局面积,因此,在显示区域的布局面积相同的情况下,可以排布更多的像素单元,从而提高显示装置的显示分辨率。
工作在饱和区的晶体管导通时,数据信号从源极流向漏极,晶体管的漏极电压随存储电容的充电而逐渐增大,晶体管的源漏极电压逐渐减小,源漏极电流也随之减小,即晶体管提供给存储电容的充电电流逐渐减小;而MEMS开关导通时,数据信号直接从第一端流向第二端,也就是说,MEMS开关的第二端提供给存储电容的充电电流不会受晶体管的影响,因此,采用MEMS开关可以提供更稳定的充电电流。
MEMS开关集成使得像素的开口率提高,提高了图像质量,并且能进一步减小像素尺寸,使得同等分辨率情况下的整个芯片尺寸减少,从而降低了生产成本。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。