CN102239436A

CN102239436A - 数字微镜器件

Info

Publication number: CN102239436A
Application number: CN2008801321924A
Authority: CN
Inventors: G·J·麦克沃依; R·P·S欧瑞丽; V·P·劳勒; K·西尔弗布鲁克
Original assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Current assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2011-11-09
Also published as: WO2010068962A1; AU2008365366B2; KR20110070925A; EP2359177A4; AU2008365366A1; JP2012511163A; EP2359177A1; CA2742310A1

Abstract

一种数字微镜器件包括位于基片上的微镜组件的阵列。每个微镜组件包括：与基片隔开的反射镜；支承反射镜的杆；以及分别位于杆两侧的第一电极和第二电极。杆由弹挠性材料构成，使得反射镜能够凭借静电力向第一电极或向第二电极倾斜。这种数字微镜器件可以用于数据投影机之类。

Description

数字微镜器件

技术领域

本发明涉及数字镜器件(DMD)。本发明被开发主要是为了提供一种可以用直接的MEMS(微电子机械系统)制造步骤制造的改善的器件。

背景技术

数字微镜器件(DMD)现在比较常见于诸如数据投影机之类的众多光学设备中。在这样的设备中，图像由在半导体芯片(DMD)上排列成矩阵的多个微小的反射镜生成。每个反射镜表示所投影的图像内的一个或多个像素。反射镜的数目与所投影的图像的分辨率相应。

DMD技术由德克萨斯仪器公司在二十世纪八十年代开发(例如，参见US 4,956,619、US 4,662,746以及有关专利)。

DMD芯片的表面上有几十万个微小的反射镜，这些反射镜被排列成矩形阵列，与要显示的图像内的像素相应。可以使这些反射镜各自转动±10-12°，成为接通或断开状态。在接通状态，将来自投影机灯泡的光线反射入镜头，使像素在屏幕上呈现为亮的。在断开状态，将光线导向别处(通常是引导到一个散热器上)，使像素呈现为暗的。

为了产生灰度，使反射镜非常快地进行通断切换，而接通时间与断开时间之比就确定了所产生的色调(二进制脉冲宽度调制)。现代DMD芯片可以产生多达1024个灰色调。

反射镜本身由铝制成，通常为边长约16微米的正方形。每个反射镜通过从反射镜的下表面伸出的刚性杆安装在轭架上。轭架由柔顺的扭铰链支承，使得轭架(从而反射镜)可以在它的接通和断开的位置之间运动。扭铰链是比较耐疲劳和抗震的。

电极通过静电引力/斥力来控制反射镜的位置。铰链的每一侧都设置有一对电极，一个作用于轭架而另一个直接作用于铝反射镜。大约20-30伏的偏置电位加到反射镜和轭架上，而用5伏的CMOS(互补金属氧化物半导体)访问电极。因此，在反射镜一侧的电极被驱动到+5V时，反射镜就向电极处于0V的相对侧倾斜。使CMOS电压反向，就导致反射镜反向倾斜。因此，每个反射镜的接通/断开状态是可通过CMOS控制的。

对于诸如上述的DMD的更为详细的说明，可参见DavidArmitage等人的“Introduction to Microdisplays”(John Wiley andSons，2006)。

DMD的设计在过去的十来年间相对没有什么改变。然而，它们在每个反射镜组件内有若干活动部件的较为复杂的设计需要相应复杂的MEMS制造工艺。这种复杂性增大了制造成本，而且可能影响到每个反射镜组件可以小型化的程度。所希望的是提供一种比已知的DMD设计相对简单的DMD。

发明内容

在第一方面，提供了一种包括位于基片上的微镜组件的阵列的数字微镜器件，每个微镜组件包括：

与基片隔开的反射镜，所述反射镜具有上反射面和下支承面；

支承反射镜的杆，所述杆从所述基片延伸到所述下支承面，所述杆形成反射镜的倾斜轴；

第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别位于所述杆的两侧，每个电极都是可通过所述基片内的电子电路个别访问的，

其中，所述杆由弹挠性材料构成，使得所述反射镜能够凭借静电力向所述第一电极或向所述第二电极倾斜。

由于所述反射镜绕挠性杆倾斜，本发明避免了在常规的DMD内的轭架和扭铰链结构。这大大地简化了DMD的总体设计和制造。

任选的是，所述杆由诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)之类的聚合物构成。PDMS具有较小的杨氏模量(小于1000MPa)，使杆能被通过电极所施加的静电力弯曲。此外，本申请人以前已说明PDMS在MEMS器件中的应用和它容易结合入MEMS制造工艺的情况。

任选的是，所述上反射面整个区域是平的。这与现有技术的DMD在上反射面内有着由于与杆连接而产生的压痕完全不同。与现有技术的器件相比，完全平的上反射面有益地改善了光学质量。

任选的是，所述反射镜包括形成上反射面的金属板。任选的是，所述金属板是铝板。

任选的是，所述反射镜还包括所述金属板的支承台，所述支承台形成所述下支承面。因此，反射镜通常是合成一体的包括上金属板和金属板的下支承台的两部分结构。

任选的是，所述支承台与所述金属板是基本上共同延伸的。

任选的是，所述支承台和所述杆由同样的材料构成。通常，杆和支承台在单个淀积步骤中一起形成。例如，淀积PDMS可以一起形成杆和支承台。

任选的是，所述第一电极和第二电极形成所述反射镜的第一和第二着落垫。

任选的是，所述反射镜具有分别接触第一和第二着落垫的第一和第二接触点，其中所述第一和第二接触点由聚合物构成。由于接触点由聚合物(例如PDMS)构成，因此使反射镜成为粘到任一电极上的趋势减到最小。

任选的是，所述支承台形成所述第一和第二接触点。因此不需要附加的部件来解决可能的静摩擦问题。支承台具有支承上铝反射板和使反射镜与电极之间的静摩擦减到最小的双重功能。

任选的是，所述反射镜电连接到偏置电位。偏置电位通常使反射镜保持在高电位，使得反射镜可在受CMOS电压(通常为5V)控制的电极的作用下倾斜。

所述杆可以由导电聚合物构成，因此杆提供与偏置电位的电连接。例如，杆可以由注入了金属离子的PDMS构成。

或者，可以将多个反射镜按行联接在一起，每行在一端电连接到偏置电位。因此，可以通过公共的接触点将偏置电位施加到整个一行的反射镜上。

任选的是，每行反射镜具有一个共同的倾斜轴。

任选的是，一行内的相邻反射镜通过链接联接在一起，链接是沿共同的倾斜轴对准的。

任选的是，所述基片是包括一个或多个CMOS层的硅基片，这些CMOS层包括电子电路。

在第二方面，提供了一种包括上述的数字微镜器件的投影机。采用DMD的投影机和投影机系统对于技术人员来说是众所周知的。

在第三方面，提供了一种制造微镜组件的方法，这种方法包括下列步骤：

(a)在基片的表面上形成一对隔开的电极，电极接到基片内的底层电子电路上；

(b)在电极和基片上淀积一层牺牲材料；

(c)在牺牲材料中形成杆开口以便形成支架，杆开口定位在电极之间；

(d)在支架上淀积一层弹挠性材料；

(e)在挠性层上淀积一个金属层；

(f)蚀穿金属层和挠性层，以形成支承在挠性材料的杆上的个体微镜，该微镜包括熔合到支承台上的金属层；以及

(g)除去牺牲材料，以提供微镜组件。

按照第三方面的方法提供了一种用极少的制造步骤制造DMD的简单而有效的方法。

任选的是，弹挠性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

任选的是，牺牲材料是光刻胶。

任选的是，金属层包括铝。

任选的是，在基片上同时制造由一些微镜构成的阵列，所述阵列形成数字微镜器件。

任选的是，基片是包括一个或多个CMOS层的硅基片，这些CMOS层包括电子电路。

在第四方面，提供了一种包括由杆支承的可倾斜反射镜的微镜组件，其中所述杆由弹挠性材料构成。

任选的是，所述可倾斜的反射镜包括具有上反射面的金属层。

任选的是，所述可倾斜的反射镜还包括支承台，所述金属层安装在该支承台上，所述支承台由弹挠性材料构成。

任选的是，所述弹挠性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

任选的是，所述反射镜是可用静电力倾斜的。

任选的是，所述杆两侧设置有一对电极，所述电极提供至少部分静电力。

附图说明

下面将参照附图对本发明的任选实施例进行例示性的说明，在这些附图中：

图1为按照本发明的DMD的示意性剖视图；

图2示出了图1的DMD处在倾斜位置的情况；

图3为图1所示的DMD的平面图；

图4示出了MEMS制造中形成电极的第一阶段；

图5示出了MEMS制造中形成牺牲支架的第二阶段；

图6示出了MEMS制造中淀积反射镜层和杆的第三阶段；

图7示出了MEMS制造中形成各个微镜的第四阶段；以及

图8示出了使用本发明的DMD的数据投影机。

具体实施方式

本申请人以前已说明了聚二甲基硅氧烷(PDMS)在MEMS器件中的通用性(例如，参见2008年6月20日提交的美国申请No.12/142,779和2007年3月12日提交的美国申请No.11/685,084，这两个申请的内容通过引用包括在这里)。特别是，将PDMS用于传统的MEMS制造工艺已导致了机械喷墨设备的改善，而且打开了单片上实验室设备和显微分析系统的新领域。

现在已发现，PDMS具有适合用于DMD的特性，使得DMD可以具有比市售的DMD简单得多的设计。参见图1和2，图中示出了按照本发明的数字微镜器件的一部分。DMD包括在基片2的表面上排列成矩阵的多个微镜组件1。通常，每个微镜组件1与相邻的微镜组件的间隔小于5微米(例如，为2微米)。微镜组件包括与基片1隔开的反射镜5。每个反射镜通常是正方形的，长度在大约10至20微米的范围内。

反射镜5包括形成反射镜的上反射面8的铝板7。反射镜5还包括形成反射镜的下支承面11的支承台10。铝板7在DMD的MEMS制造期间熔合到支承台10上。由于铝板粘贴在支承台10上，因此可以将反射镜5上反射面8制作成整个区域完全是平的。这有益地提供了优异的光清晰度。相反，现有技术的DMD在反射面内有着由于支承柱连接到反射镜上而引起的压痕。

虽然铝是在DMD中通常使用的反射物质，但可以理解，可以用其他金属(例如，钛)来代替。

反射镜5由从基片2延伸到下支承面11的弹挠性杆13支承。杆13和支承台10两者形成由相同的挠性材料构成的一体结构。通常，杆13和支承台10由杨氏模量小于1000MPa的聚合物构成。形成杆13的优选材料是杨氏模量为600MPa左右的聚二甲基硅氧烷。

杆13形成反射镜5的倾斜轴。如从图2可以极为清楚地看到的那样，反射镜5能绕倾斜轴倾斜最多±15度角左右，通常为±7到10度。弹挠性杆13与刚性杆在它的基底铰接以允许反射镜倾斜的现有技术DMD形成对照。

杆13可以呈现为连接在反射镜5的质心的支承柱。或者，杆13可以至少部分沿倾斜轴延伸。通常，杆13呈现为沿倾斜轴延伸并与反射镜5共同延伸的支承壁。

第一电极15和第二电极16分别位于杆13的两侧。第一和第二电极是可由硅基片1内的电子电路个别访问的，能通过静电引力使反射镜5倾斜。DMD的典型工作情况将在下面详细说明。电子电路包含在基片上部的CMOS层18内。

如图2中极为清楚地示出的那样，第一和第二电极形成反射镜5在倾斜时的着落垫。现有技术的DMD的问题之一是在反射镜/轭架与着落垫之间的静摩擦力。静摩擦力可以使反射镜成为永久性地粘在着落垫上，导致反射镜成为不起作用的。然而，在微镜组件1中，支承台10形成接触着落垫的第一和第二接触点。由于支承台10有益地由PDMS构成，任何静摩擦力是极小的。

与现有技术的DMD一致，本发明的DMD在反射镜5由偏置电位保持在比较高的电位(例如20至50伏)的情况下工作最有效。这使得当第一或第二电极由底层的5伏CMOS电路接通或断开时所需的静电力最大。

偏置电位可以通过支承杆13加到铝板7上。虽然诸如PDMS之类的聚合物材料通常是电绝缘的，但可以通过注入诸如钛离子之类的金属离子使这样的材料导电(例如，参见Dubois et al，Sensors andActuators A，130-131(2006)，147-154，其内容通过引用包括在这里)。因此，采用导电杆13，可以将铝板7保持在高的偏置电位。

或者，通过如图3所示将铝板联接在一起并将偏置电位从电压源在一行的一端加到这行的反射镜上，可以将偏置电位加到铝板7上。邻接的板7通过沿反射镜的倾斜轴延伸的链接20菊链在一起。这些链接沿倾斜轴定位，以便使它们对反射镜倾斜的阻抗减到最小。

虽然链接20在反射镜倾斜期间不可避免地受到小的扭力，但这些链接通常并不会由于这个扭力而疲劳。这是由于这些联接件极小，允许立即解除任何晶体位错。在传统的DMD内的扭铰链由于同样原因也不疲劳。

现在参见图2，图中示出了处在倾斜位置的微镜组件1。为了移到所示的倾斜位置，由CMOS电路18将第一电极15设置到+5V而将第二电极设置到0V。由于铝板被偏置到大约+45V的电位，反射镜5从第一电极受到静电斥力，从而向第二电极倾斜。当然，电极极性逆转，就会使反射镜5在相反方向上倾斜。为了将反射镜5保持在它的倾斜位置，可以将两个电极设置为+5V或0V。

可以理解，在倾斜期间，杆13挠曲，以适应反射镜5倾斜。因此，与现有技术的设计不同，不需要任何复杂的允许反射镜弹性倾斜的扭铰链结构。

现在参见图4至7，在这些图中示出了经简化的制造图1所示的DMD的MEMS制造工艺。在图4至7中没有示出CMOS层18。

在图4所示的第一步骤中，通过在CMOS基片1上淀积1微米的铝层再蚀刻成各个第一和第二电极15和16，形成电极(或着落垫)。铝电极与底层CMOS内的上金属层连接，使得每个电极都是分别可控的。

在图5所示的第二步骤中，将一层光刻胶22旋压到电极上，构图以形成杆开口23。这层光刻胶22对于以后的淀积PDMS和铝起着牺牲支架的作用。

在图6所示的第三步骤中，在光刻胶层22上淀积一个PDMS层后，再淀积一个铝层。PDMS层包括每个微镜组件的杆13和支承台10。铝层包括具有上反射面8的板7。

在图7所示的第四步骤中，蚀刻PDMS和铝层，形成各个反射镜5。这个蚀刻步骤使用适当构图的光刻掩膜(未示出)，为了蚀穿不同的层可能需要不同的蚀刻化学处理。

在最后一个步骤中，通过暴露于氧化等离子体(例如O2等离子体)将牺牲光刻胶22除去。最后的“灰化”步骤形成图1所示的DMD。

图8示出了典型的采用如上所述的DMD的数据投影机100(例如图像投影机或视频投影机)。任何包括已知的DMD的数据投影机也可以包括按照本发明的DMD。如在US 6,966,659中所述，投影机还可以包括打印从计算机系统101接收到的图像的打印头，该专利文件的内容通过引用包括在这里。例如，打印输出102可以从投影机100的后部弹出，如图8所示。

当然，可以理解，以上对本发明所作的说明只是例示性的，在所附权利要求书确定的本发明的范围内可以进行细节修改。

Claims

1.一种数字微镜器件，包括位于基片上的微镜组件的阵列，每个微镜组件包括：

支承所述反射镜的杆，所述杆从所述基片延伸到所述下支承面，所述杆形成所述反射镜的倾斜轴；

2.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述杆由聚合物构成。

3.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述杆由聚二甲基硅氧烷PDMS构成。

4.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述上反射面整个区域是平的。

5.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述反射镜包括形成所述上反射面的金属板。

6.根据权利要求5的数字微镜器件，其中，所述金属板是铝板。

7.根据权利要求5的数字微镜器件，其中，所述反射镜还包括所述金属板的支承台，所述支承台形成所述下支承面。

8.根据权利要求7的数字微镜器件，其中，所述支承台与所述金属板是基本上共同延伸的。

9.根据权利要求7的数字微镜器件，其中，所述支承台和所述杆由同样的材料构成。

10.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述第一电极和第二电极形成所述反射镜的第一和第二着落垫。

11.根据权利要求10的数字微镜器件，其中，所述反射镜具有分别接触第一和第二着落垫的第一和第二接触点，以及其中，所述第一和第二接触点由聚合物构成。

12.根据权利要求11的数字微镜器件，其中，所述支承台形成所述第一和第二接触点。

13.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述反射镜与偏置电位电连接。

14.根据权利要求13的数字微镜器件，其中，所述杆由导电聚合物构成，所述杆提供与所述偏置电位的电连接。

15.根据权利要求14的数字微镜器件，其中，所述杆由注入了金属离子的聚二甲基硅氧烷PDMS构成。

16.根据权利要求13的数字微镜器件，其中，多个反射镜按行联接在一起，每行在一端电连接到所述偏置电位。

17.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，每行反射镜具有一个共同的倾斜轴。

18.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，一行内的相邻反射镜通过链接联接在一起，所述链接是沿所述共同的倾斜轴对准的。

19.根据权利要求1的数字微镜器件，其中，所述基片是包括一个或多个CMOS层的硅基片，所述CMOS层包括所述电子电路。

20.一种投影机，包括根据权利要求1的数字微镜器件。