CN102597846A - 用于光学调制与微成型的可变形铁磁性流体层器件 - Google Patents

用于光学调制与微成型的可变形铁磁性流体层器件 Download PDF

Info

Publication number
CN102597846A
CN102597846A CN2010800500642A CN201080050064A CN102597846A CN 102597846 A CN102597846 A CN 102597846A CN 2010800500642 A CN2010800500642 A CN 2010800500642A CN 201080050064 A CN201080050064 A CN 201080050064A CN 102597846 A CN102597846 A CN 102597846A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
circuit
ferromagnetic fluids
curable
magnetic field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800500642A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102597846B (zh
Inventor
T·P·兰普雷克特
T·E·莫尔夫
J·R·韦斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by International Business Machines Corp filed Critical International Business Machines Corp
Publication of CN102597846A publication Critical patent/CN102597846A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102597846B publication Critical patent/CN102597846B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09FDISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • G09F9/30Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements
    • G09F9/37Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements being movable elements
    • G09F9/372Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements being movable elements the positions of the elements being controlled by the application of an electric field
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/42Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the shape of the moulding surface, e.g. ribs or grooves
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/08Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0805Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29DPRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009Production of simple or compound lenses
    • B29D11/0048Moulds for lenses
    • B29D11/00557Moulds for lenses with deformable mould walls, e.g. to make lenses with different shapes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0825Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a flexible sheet or membrane, e.g. for varying the focus
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/0006Arrays
    • G02B3/0012Arrays characterised by the manufacturing method
    • G02B3/0031Replication or moulding, e.g. hot embossing, UV-casting, injection moulding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/08Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0805Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
    • B29C2035/0827Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using UV radiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C37/00Component parts, details, accessories or auxiliary operations, not covered by group B29C33/00 or B29C35/00
    • B29C37/0053Moulding articles characterised by the shape of the surface, e.g. ribs, high polish
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C37/00Component parts, details, accessories or auxiliary operations, not covered by group B29C33/00 or B29C35/00
    • B29C37/0067Using separating agents during or after moulding; Applying separating agents on preforms or articles, e.g. to prevent sticking to each other
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明涉及器件(10、10a-10d),其包括:片上电路(110-160、170、180)的集合,此类电路中的每个电路被配置成在被激励时产生垂直于该集合的平面型表面的磁场(300);铁磁性流体层(40),其与平面型表面接合;以及逻辑电路(50),被配置成选择性激励(200、200a)该集合中的一个或多个电路,以在该被激励的电路处产生磁场和响应于该磁场的该铁磁性流体层的变形(41、44、45)、以及调制指向该铁磁性流体层的光束(IR1、IR2)。优选地,附加的液体层(60)在片上电路的对面与铁磁性流体层接合,该附加的液体层(60)与铁磁性流体层不可混溶。本发明可以应用于微显示/投影器件、可编程光学反射透镜,或者针对表面复制的微成型应用。

Description

用于光学调制与微成型的可变形铁磁性流体层器件
技术领域
本发明涉及光学调制器和微成型器件的领域。具体而言,其可以应用于微显示/投影器件、可编程光学反射透镜、或者针对表面复制的微成型应用。
背景技术
下列专利文件提供了关于本发明可涉及的技术的细节:
-美国专利号7,130,102公开了一种装置,其包括可旋转平面型镜阵列和用于产生磁感应以单独旋转可旋转平面型镜中的每个的装置。另外,该文件公开了在透明流体层上叠置包括可旋转平面型镜的铁磁性流体层的特征。
-欧洲专利公开号0666492公开了一种装置,其包括透明板以及悬浮于载体流体中的磁性小板。该磁性小板使用磁场源来感应。另外,其公开了一种将磁信号施加于活性材料的方法,该活性材料是散布在载体流体中的铁磁性颗粒或顺磁性颗粒。
-美国专利公开号2005/0200984公开了一种施加磁信号以改变在光学或成像仪器中使用的镜组件中的基底形状的方法;以及
-美国专利公开号2006/0215252公开了一种装置,其包括精细移动颗粒层,该精细移动颗粒由外部刺激(例如磁场)改变。其还公开了一种为具有铁磁性精细颗粒散布于其中的胶质溶液的精细移动颗粒层。
接着,除了专利文献之外,还指向下列在线资料:
[1]复制型微光学器件:
http:∥www.heptagon.fi/downloads/0431107%20OptEng_RudmannRossi_NOV-04.pdf
[2]紫外线压纹(UV embossing):
http:∥www.polymicro-cc.com/site/pdf/POLYMICRO-tech_UV-embossing.pdf
[3]铁磁性流体显示′SnOil″:
http:∥www.freymartin.de/en/projects/snoil以及
http:∥www.youtube.com/watch?v=uAO5dTBMDkY。
令人关注的是,所谓的SnOil系统利用铁磁性流体的磁敏感性以在铁磁性流体层中选择性地形成凸块,并且从而实现铁磁性流体显示:该系统应用于经典的街机游戏(arcade game)。其包括由铁磁性流体油层填充的凹槽(basin)。直接在底下的是彼此紧密布置的12乘12电磁体网格,在四个区块中每个皆有36件。用于触发此类分离的磁体的电子器件位于直接在该磁体层底下的若干层印刷电路板上。通过选择性激励此类磁体,激活了对应的磁场,从而产生144个单独可选择的“流体凸块”。
发明内容
根据一个方面,本发明体现为一种器件,其包括:片上电路的集合,该电路中的每个电路被配置成在被激励时产生垂直于该集合的平面型表面的磁场;铁磁性流体层,其与平面型表面接合;以及逻辑电路,被配置成选择性激励该集合中的一个或多个电路以便:在该被激励的电路处产生磁场;响应于该磁场,引起该铁磁性流体层的变形;以及调制指向该铁磁性流体层的光束。
在一些实施例中,该器件可包括下列特征的一个或多个特征:
-片上电路的每个电路均被构造为CMOS电路;
-本发明的器件还包括附加的液体层,该附加的液体层在片上电路的对面与铁磁性流体层接合,该附加的液体层与该铁磁性流体层不可混溶;
-该附加的液体层是透明的缓冲液体层或成型膜;
-该器件还包括覆盖层,该覆盖层在该片上电路的对面覆盖在该器件中的任何其它层;
-该器件还包括一个或多个分离体层,该分离体层与在器件中的任何层接合;以及
-该器件还被配置成捕获从铁磁性流体层的给定部分反射的光束并且将其重定向。
根据另一方面,本发明还体现为微显示和/或投影器件,该微显示和/或投影器件包括上述器件,被配置成捕获从该铁磁性流体层的给定部分反射的光束并且将其重定向。
在上述器件之一的变体中,逻辑电路被配置成动态地激励该电路中的一个或多个电路。
根据又一方面,根据本发明的器件还体现为可编程光学反射透镜。
根据又一方面,本发明体现为成型方法,包括如下步骤:提供根据本发明的器件,该器件包括可固化的至少一个液体层,在激励该片上电路时该液体层可变形;激励该片上电路,以便获得在铁磁性流体层中变形的期望图案;在铁磁性流体层变形时通过使可固化层固化来使该可固化层成型;以及移除已固化层。
在一个实施例中,为该器件提供的可固化层在该片上电路的对面与铁磁性流体层接合,该可固化层优选地为可用于表面复制的成型膜。
在另一实施例中,所提供的器件还包括释放层,该释放层与可固化层接合以易于移除已固化层。
在又一实施例中,该方法还包括如下步骤:提供与铁磁性流体层接合的另一可固化层;以及重复激励和使另一可固化层成型的步骤以及移除该已固化层的步骤。
最后,根据另一方面,本发明体现为已固化材料,其根据本发明的方法成型。
现在将通过非限制性示例并且参照该附图来描述体现本发明的光学调制器器件、相关的器件、成型方法以及已固化材料。
附图说明
图1描绘了在根据一个实施例的器件中处于本发明核心的基本原理;
图2是可以在本发明的一个实施例中使用的片上电路的示例;
图3示出了通过切换在图2电路中的电流流动而感应的磁场;
图4涉及调制器器件的另一实施例;
图5例示了将图4的器件应用于光学投影;
图6和图7示出了将图4中的器件应用于可编程透镜;
图8A至图8C显示了根据本发明的调制器器件的其它一些实施例;
图9A至图9E显示了使用图8C的器件得到的实验结果;以及
图10至图14示出了根据本发明的实施例的使用如在图8A或图8B中器件的成型方法的步骤。
具体实施方式
作为对于下列描述的介绍,首先指出本发明的总体方面,其涉及光学调制器器件。该器件包括平面型片上电路(或OCC)。该OCC中的每个被配置成在激励时感应出垂直于其平面型表面的磁场。典型地,上述电路是根据CMOS工艺获得的片上线圈电路。接着,将铁磁性流体层与该OCC接合,从而选择性激励此类电路以产生磁场,该磁场继而允许使该铁磁性流体层局部变形。因此可以调制指向该层的光束。该电路配置允许高度集成,因而适合于微光学器件应用。由该OCC所实现的集成水平继而允许制造低成本的光学器件。
图1示意性示出了处于本发明核心的基本原理。其显示了光学调制器器件10的剖视图,该光学调制器器件10包括平面型OCC110-160的集合。整个芯片由附图标记20表示。如前所述,此类电路的每个均被配置成当被激励时产生如在该图示中所表示的垂直磁场(即,所产生的磁场具有垂直分量)。为了示出起见,所产生的该磁场象征性以竖直箭头描绘。而激励OCC由圆形箭头表示。
该器件还包括与片上电路接合的铁磁性流体层40。众所周知,铁磁性流体通常是胶质混合物,其包括以布朗运动方式悬浮在例如有机溶剂或水之类的载体流体中的纳米尺度的铁磁性(或亚铁磁性)颗粒。该纳米颗粒优选地涂覆有表面活性剂,以防止它们(由于范德瓦尔斯作用和/或磁相互作用)而凝聚。
该铁磁性流体层可以包括直径为例如10纳米或更小的颗粒,例如磁铁矿颗粒、赤铁矿颗粒或铁的其它化合物的颗粒。与任何铁磁性流体一样,层40在没有施加的场时不保留磁化,而是呈现出大程度顺磁性。
该器件还包括例如适当地连接至OCC的逻辑电路50。该逻辑电路可以是例如在远程膝上型计算机中的远程处理单元,或者该逻辑电路可以设置在同一芯片上。然而,其被配置成选择性激励OCC,并且优选为动态(空间激励方案是时间的函数)地激励OCC。这局部地感应出磁场并且继而在铁磁性流体层中产生变形41、44、45。因此,指向层40的光束IR1、IR2可以被调制:所反射的光束RR1、RR2具有不同的定向。
接着,参照图2,描绘了如在本发明的实施例中使用的片上电路110的示例。OCC 110可以例如由在CMOS芯片20(表示互补型金属氧化物半导体)上的片上电感器构成。通过使电流从一个端口111流至另一端口112来激励OCC,这将感应出磁场。所描绘的OCC 110具有平面型线圈形状,这有利地使磁场集中于中心处。更确切而言,其被成形为正方形多匝线圈,从而产生相对的股线(strand),例如股线115、115a。股线的长度可以在例如60微米和120微米(或μm)之间变化,并且它们的宽度一般小于10μm。
许多此类线圈可以被适当地互连,以由前述逻辑电路激励;该片上电路优选地均被构造为CMOS电路,以便形成单一CMOS芯片。否则,芯片可以被组装,以形成线圈阵列。在变体中,可以依赖适用于获得平面型电路的其它工艺。CMOS工艺本身是已知的。
显然,可能涉及其它(中间的)电子部件,以利用期望磁场强度所需的适当的功率来给OCC供电。磁场强度还依赖于所使用的铁磁性流体和所寻求的应用的特性。可以以试错法或者通过仿真来实现这些特性的精细调整。
可以构思复杂的变体。例如,通过激励电路引起的铁磁性流体凸块的形状可以借助于针对每个“像素”使用多个线圈的方案和/或通过脉冲调制激励线圈的电流来精细调整。此外,使用高频磁脉冲激励铁磁性流体可以允许缩小特征尺寸,这是由于“像素”之间出现了谐波驻波。
图3是图2中沿着其中的线AA并且根据其中所指示的方向的截面图。电子流(-I)如在图示200a、200中所指示的、被约束于电感器110的导体股线115a、115中进行循环。为了简化起见,在截面中仅表示两个股线。根据电磁定律,通过流动的电流产生磁场B。向量场B显著依赖于电流幅度、方向、长度及接近性。B的幅度在线圈中心处最大。因此,线圈优选地被配置成在线圈和铁磁性流体之间仅具有CMOS钝化层。
再简要参见图1,铁磁性流体层应该响应于感应出的磁场,从而引起(不依赖于极化的)竖直位移(例如1μm-2μm)。因此,将电流于施加线圈产生了磁场,该磁场继而使铁磁性流体层变形。
接着,图4涉及光学调制器器件的另一实施例,其中优选为透明的缓冲液体层60或者可固化层(稍后将论述)在片上电路的对面与铁磁性流体接合。缓冲层实现清楚限定的、可选地为透明的界面。更一般而言,调整期望的光学特性或成型特性更适当地通过简单地遵循铁磁性流体层的变形的附加的液体层而非通过铁磁性流体层本身来实现。典型的厚度在线圈直径的1/10和1/1之间变化。因此,附加的层有利地设置在铁磁性流体层顶上,附加的层与铁磁性流体层不可混溶。可以构思各种此类液体材料。调整层的表面张力以及极性以使液体不可混溶。
优选地,覆盖层70有利地设置在缓冲层顶上,该覆盖层覆盖缓冲层60或在器件中的任何其它层。这允许保护缓冲层,并且限定干净的表面。
此外,如果所涉及的层的表面张力无法实现合适的界面,则该器件进一步可以包括接合在两个邻接的层之间的一个或多个分离体层80、80a。在图4的示例中,该分离层设置在铁磁性流体层和缓冲层之间。附加的层80a可以进一步设置在CMOS芯片和铁磁性流体层之间。可以构思分离体层,以例如有助于改善反射率和/或动态响应、实现清晰的界面或释放随后的层。例如,在随后论述的成型应用的情况下,层80可以是释放层。
图5例示了如图4的器件使用于微显示/投影器件中。此时基本上而言,该器件增加有用于捕获所反射的光束并且例如使其朝向显示器件D重定向的装置。透镜L可以例如用于使从铁磁性流体层的未变形部分反射的光束RR2重定向。注意到,可以针对除显示之外的其他目的构思类似的配置。
依次介绍其它应用。其一是如在图6及图7中所示的可编程透镜。在此使用如在图4中的器件(参见图6)。如对光学器件领域技术人员变得明显的那样,铁磁性流体的变形可以被编程,以便获得具有给定形状的反射透镜,即可编程透镜。图6示出了如在图4中的器件,其中入射的光线IR根据成形的界面40-60被反射(RR),该界面40-60经由逻辑50而被合适地编程。
众所周知,一部分光从该界面反射,而其余的被折射。因此,如果需要,则可以调整铁磁性流体及缓冲层的成分以减少折射。假设未变形的反射表面非常平滑,则在该处发生的反射是镜面反射。入射光线和反射光线与法线形成的角度相等,而这与发生在变形的表面部分44、45中的漫反射形成对比。此外,磁场的幅度可以变化,并且因此变形的幅度也可以变化(参见凸块44及45)。对给电路供电的电流进行适当的编程使得可以获得凹图案、凸图案或更复杂的图案。
图7例示了此类可编程透镜10b的样本表面的俯视图,其中线圈的布置是可视的(例如附图标记110-180)。此外,密度绘图显示例如变形的值,即在规则的点阵列处的两个变量x、y的函数。较浅色的区域是表面的变形最大(并且因此为最高的)部分。在表面的最深色部分发生镜面反射。
迄今为止已描述了两个主要应用(投影及透镜)。就此而言,依次介绍附加的评注。首先,更具体而言关于显示应用:
-由于像素尺寸是线圈尺寸(其可以小于10μm)以及铁磁性流体的颗粒尺寸(一般为几纳米)的函数,因此可以制造极小的像素,该像素在高度上可“连续地”调整。因此,如上所述,例如上述的器件非常适合于微型投影仪/便携式投影仪。
几乎可以实现光学表面的100%填充因子,这是因为电子被铁磁性流体和/或反射层完全覆盖。
-可以通过标准色轮或通过使用多个调制器芯片向投影添加色彩。
接着更具体而言关于透镜应用:
-上述的可编程透镜允许各种应用,例如菲涅尔型透镜、制造容差/误差的可编程校正。
-可以通过在铁磁性流体或缓冲液体的任一中添加例如UV或热固化聚合物而使给定透镜形状进一步固定,参见下文。
-通过适当选择缓冲液体,可以在正常操作温度期间实现固定。随后需要熔化以重新编程透镜的形状。这可以通过增加通过线圈的电流至高水平而实现,即比对透镜进行编程所需的水平更高的水平。如果在特定时间需要特定的光学调制,例如用于广告的显示应用或用于阅读文本的显示,则其特别适于低功率应用。
-具有例如三比特分辨率的列及行寻址系统允许产生横跨芯片的任意磁场分布。这继而产生任意形状的透镜。
最后,关于任何类型的应用:
-该器件的尺寸是仅由CMOS晶片的尺寸限制。可以设想在邻近十字线上延续的大型掩模或图案,或者典型尺寸2.5cm×2.5cm已经可获得开且可便用。
-然而,可以通过使用反馈回路的动态补偿以及通过对各种层的表面张力及密度进行工程化来消除层的重力依赖性。
-对于CMOS工艺的需求并非关键。不需要深亚微米工艺。然而,多个金属层可能对于实现多层、多匝螺旋电感器以使磁场强度的最大化是有用的。可以将螺旋电感器绘制为例如正方形(参见图2)或六角形。
-在线圈之间的任何磁耦合(如果有的话)可以使用适当的算法来补偿以使总磁场分布再成形。
-流体堆叠可以作为整体(夹层)应用于芯片,其包括晶片级的密封柱(stud)及覆盖窗口。
-在给定供应电压的情形下,使用在CMOS驱动电路中的电流再利用,总功率消耗可以保持在较低同时实现大的磁场。
-附加的流体层或非流体层(即分离体层)有助于如早些所述的改善反射率和/或动态响应,获得清晰的界面或实现一个或多个层的释放。
接着,图8A至图8C涉及根据本发明的实施例的光学调制器器件的其他一些变体。在图8A或图8B的每个图中,设置了适当的外壳41,例如(在截面中观看的)密封沿41,其封闭如参照图1或图4所述的器件20-70的相继的层40、60。CMOS芯片20驻留在封装体叠层90上;附图标记21、22表示键合线。在该沿的顶上例如是覆盖层70或密封盖75(分别在图8A或图8B中)。如下文论述的那样,密封盖可以是单一窗口,或者仍然是成型基底。可以例如在晶片级(裸片阵列或个别裸片)的标准CMOS处理之后制造外壳,也可以如此施加流体。晶片级处理能力和与标准CMOS技术的兼容性相对于已知技术而言具有固有的价格优势。
在图8C中,为了实验目的仅设置了一个线圈10。就此而言,在生产线后端(BEOL)内,在具有电感器的CMOS芯片20上施加铁磁性流体层40的薄膜(~500纳米),后端工艺即集成电路制造线中将有源部件(晶体管、电阻器等)与晶片上的布线21、22互连的部分。所用的BEOL在此是针对感应峰值原始地设计和经优化的。
通过施加通过线圈110的电流I,感应出了磁场B,从而产生流体在1μm-2μm左右的竖直位移。
就此而言,图9A至图9E示出了使用图8C的器件获得的实验结果(在不同电流下表面高度的光学干涉法测量值)。更详细而言,将磁性感应流体凸块的干涉轮廓线显示为所施加的电流(0mA至100mA)的函数。图片显示了片上线圈,该线圈的边为约120μm长,并且该线圈在所施加的铁磁性流体下方就透明性而言可见。在该线圈的中心处,在某些情况下(50mA-100mA)轮廓线可见。电流越高,则轮廓线越接近,因此峰值越显著。为了控制目的,执行第二个零电流测量(右侧最后一个图片),其表明该过程的可逆性。该图片由显示流体从芯片的偏移(即静态偏移加上磁性感应的偏移)的图支持。由图可见,在测量之前和测量之后偏移保持大体上相同。注意到,由于小的厚度并且因此使用高透明的铁磁性流体膜,所以测量值较嘈杂。然而这仅是为了图示起见,因为铁磁性流体层并不需要透明。
接着,根据另一方面,本发明还涉及成型方法。图10至图14示出了根据特定实施例的此类方法的步骤。
参照这些附图,该方法首先包括提供如在图8A或图8B中的光学调制器器件,参见图9的步骤S10。然而,迄今为止该器件仅含有铁磁性流体层40。
继而将可固化液体材料层60(例如成型膜)在片上电路的对面与铁磁性流体层40接合。基本上而言,在铁磁性流体层顶上的器件的外壳以可固化材料填充(步骤S12)。这些层是不可混溶的,以维持清晰的界面(图10)。
优选地,步骤S14(图11)添加顶盖75,以便从上方密封该层并且获得清晰的界面。盖75可以用作接着将成型的层或膜的基底。
随后,该方法包括激励片上电路的步骤(图12的步骤S16),以便如先前所述在铁磁性流体层中获得变形的期望图案。施加到铁磁性流体膜的可变磁场导致所含的纳米颗粒的局部的、可变聚积;表面因此变成所施加的磁场的函数。如前所述,使用许多微小的可变/动态磁场产生器(即CMOS芯片上线圈),可以创建任意磁场,其随后可以在铁磁性流体膜中产生适用于许多微成型应用(例如微透镜等)的复杂的形状。顺带提及的是,铁磁性流体层的形状有可能因铁磁性流体的表面张力而平滑化,从而避免尖锐边缘而实现平滑表面,即理想的透镜。
随之而来的是,如本身已知的那样,使用例如光致固化或热致固化而使可固化层固化(步骤S16)。当顶层被固化时,铁磁性流体层仍然变形。注意到,如果必要,则适当选择密封盖,从而使用例如UV光使可固化层固化可以通过覆盖层发生。
最后,可以移除已固化层,该已固化层可能与密封盖75一起移除(步骤S18)。在固化之后,可以移除已固化层,从而可以重新利用“初始”铁磁性流体并且对其进行重新编程以用于新的成型模。
已固化层反映铁磁性流体变形的图案,从而使得精细的凸块形状的像素化可见。如上述成型的固化层也是根据本发明。
在变体中,可固化的是铁磁性流体层本身,从而不需要附加的可固化材料。然而此类选项更难以实行,这是因为层40的成分需要确保液体层40为铁磁性流体并且可固化这两者。当铁磁性流体成分以可以被硬化/固化的方式被修改时,它因此保持曾经编程的形状。在释放已固化的铁磁性流体层之后,该铁磁性流体层直接充当成型模。然而,CMOS芯片可以被重新利用以制造其他一些成型模。
根据另一变体,该器件还包括与可固化层接合的释放层(例如在图4中的层80或80a),从而易于移除已固化层。当在铁磁性流体层顶上使用成型膜时,成型膜适配铁磁性流体膜和分离层的形状。成型膜继而可以固化并且容易地释放,以用作针对表面复制的微成型模。可以为固体或液体的分离层将铁磁性流体膜与成型膜隔开,并且还可以实现成型膜的较简单的释放。
虽然已参照特定实施例描述了本发明,但是本领域技术人员可以理解的是,可以做出各种改变并且可用等同实施方式替代而不偏离本发明的范围。此外,可以根据本发明的教导做出许多修改以适配于特定情形而不偏离本发明的范围。因此,旨在使本发明不被限制为所公开的特定实施例,而是使本发明包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。例如,针对铁磁性流体层可以构思各种成分。具体而言,对于变形镜的应用而言,可以将磁性铁颗粒悬浮于车用防冻剂中,这可以支撑反射性膜并是稳定的,从而形成光学质量表面。

Claims (15)

1.一种器件(10、10a-10d),包括:
片上电路(110-160、170、180)的集合,所述电路中的每个电路被配置成在被激励时产生垂直于所述集合的平面型表面的磁场(300);
铁磁性流体层(40),其与所述平面型表面接合;以及
逻辑电路(50),被配置成选择性激励(200、200a)所述集合中的一个或多个电路,以便:
在被激励的电路处产生磁场;
响应于所述磁场,引起所述铁磁性流体层的变形(44、45);以及
调制指向所述铁磁性流体层的光束(IR1、IR2)。
2.根据权利要求1所述的器件,其中所述片上电路的每个电路均被构造为CMOS电路(20、110-160)。
3.根据权利要求1或2所述的器件,还包括附加的液体层(60),所述附加的液体层(60)在所述片上电路的对面与所述铁磁性流体层接合,所述附加的液体层与所述铁磁性流体层不可混溶。
4.根据权利要求3所述的器件,其中所述附加的液体层(60)是透明的缓冲液体层(60)或成型膜(60)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的器件,还包括覆盖层(70、75),所述覆盖层(70、75)在所述片上电路的对面覆盖在所述器件中的任何其它层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件,还包括一个或多个分离体层(80、80a),该分离体层与在所述器件中的任何层接合。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件(10a),还被配置成(L)捕获从所述铁磁性流体层的给定部分反射的光束(RR2)并且将其重定向。
8.一种微显示和/或投影器件(10a、D),其包括权利要求7所述的器件(10a)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的器件,其中所述逻辑电路被配置成动态地激励所述电路的一个或多个电路。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的器件(10b),被配置成可编程光学反射透镜(10a)。
11.一种成型方法,包括如下步骤:
提供(S10、S12或S 14)权利要求1至4中任一项所述的器件,所述器件包括可固化的至少一个液体层(60),在激励所述片上电路时所述液体层(60)可变形;
激励(S16)所述片上电路,以获得在所述铁磁性流体层中的变形的期望图案;
在所述铁磁性流体层变形时通过使所述可固化层固化来使所述可固化层成型(S16);以及
移除(S18)已固化层。
12.根据权利要求11所述的制造方法,其中为所述器件提供的所述可固化层在所述片上电路的对面与所述铁磁性流体层接合(S10、S12或S14),所述可固化层优选地为可用于表面复制的成型膜(60)。
13.根据权利要求11或12所述的制造方法,其中所提供的器件还包括释放层(80),所述释放层(80)与所述可固化层接合以便易于移除所述已固化层。
14.根据权利要求12或13所述的制造方法,还包括如下步骤:
提供与所述铁磁性流体层接合的另一可固化层(60);以及
重复激励和使所述另一可固化层成型的步骤(S16)以及移除(S18)所述已固化层的步骤。
15.一种已固化层,其根据权利要求11至14中任一项所述的方法成型。
CN201080050064.2A 2009-11-06 2010-11-08 用于光学调制与微成型的可变形铁磁性流体层器件 Expired - Fee Related CN102597846B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09175286 2009-11-06
EP09175286.5 2009-11-06
PCT/IB2010/055063 WO2011055347A2 (en) 2009-11-06 2010-11-08 Deformable ferrofluid layer devices for optical modulation and micromolding

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102597846A true CN102597846A (zh) 2012-07-18
CN102597846B CN102597846B (zh) 2014-12-24

Family

ID=43499692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080050064.2A Expired - Fee Related CN102597846B (zh) 2009-11-06 2010-11-08 用于光学调制与微成型的可变形铁磁性流体层器件

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8861064B2 (zh)
CN (1) CN102597846B (zh)
TW (1) TW201140137A (zh)
WO (1) WO2011055347A2 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016074550A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-19 Beijing Zhigu Rui Tuo Tech Co., Ltd Display device with adjustable pixel density and method for adjusting display pixel density
CN105939828A (zh) * 2013-12-17 2016-09-14 Ppg工业俄亥俄公司 制备定制的聚合物制品的方法
CN109849329A (zh) * 2019-02-22 2019-06-07 河南科技大学 一种磁流变复合体的快速成形方法
CN114062483A (zh) * 2021-11-25 2022-02-18 西安电子科技大学 一种柔性传感器及金属构件缺陷检测方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8542325B2 (en) * 2011-09-29 2013-09-24 Ehren Ray Burton Color changing contact lenses
US10010933B2 (en) * 2012-02-16 2018-07-03 The Regents Of The University Of California Magnetically controlled casting process for multistructural materials
US9868154B2 (en) * 2013-08-16 2018-01-16 Hummingbird Nano, Inc. Three-dimensional molding using magnetically activated static and dynamic ferrofluid configurations

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1361585A1 (en) * 2002-05-07 2003-11-12 Université Laval Liquid reflective mirror shaped by magnetic field
US20040190000A1 (en) * 2003-03-28 2004-09-30 Simon Thibault Method and system for characterizing aspheric surfaces of optical elements
WO2005027185A2 (en) * 2003-09-18 2005-03-24 Technion Research And Development Foundation Ltd. Electrostatic modulation of surface roughness

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0666492B1 (en) 1994-02-08 2001-10-04 Texas Instruments Incorporated Magneto-optics shutter
US20050200984A1 (en) 2004-03-12 2005-09-15 Browne Alan L. Active mirror assemblies
US7130102B2 (en) 2004-07-19 2006-10-31 Mario Rabinowitz Dynamic reflection, illumination, and projection
US20060215252A1 (en) 2005-03-25 2006-09-28 Fuji Xerox Co., Ltd. Display medium, display device, and display method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1361585A1 (en) * 2002-05-07 2003-11-12 Université Laval Liquid reflective mirror shaped by magnetic field
US20040190000A1 (en) * 2003-03-28 2004-09-30 Simon Thibault Method and system for characterizing aspheric surfaces of optical elements
WO2005027185A2 (en) * 2003-09-18 2005-03-24 Technion Research And Development Foundation Ltd. Electrostatic modulation of surface roughness

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
F. CARDOT, ET AL,: "Fabrication of a magnetic transducer composed of a high-density array of microelectromagnets with on-chip electronics", 《SENSORS AND ACTUATORS A》, vol. 43, 31 December 1994 (1994-12-31), pages 11 - 16, XP026615703, DOI: doi:10.1016/0924-4247(93)00652-K *
W.–B.SONG,ET AL: "Fabrication of polymeric 3-D micro-structures using ferrofluid molds", 《IEEE MEMS 2006》, 31 December 2006 (2006-12-31), pages 22 - 26 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105939828A (zh) * 2013-12-17 2016-09-14 Ppg工业俄亥俄公司 制备定制的聚合物制品的方法
CN105939828B (zh) * 2013-12-17 2020-12-04 Ppg工业俄亥俄公司 制备定制的聚合物制品的方法
WO2016074550A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-19 Beijing Zhigu Rui Tuo Tech Co., Ltd Display device with adjustable pixel density and method for adjusting display pixel density
US10304373B2 (en) 2014-11-14 2019-05-28 Beijing Zhigu Rui Tuo Tech Co., Ltd. Display device with adjustable pixel density and method for adjusting display pixel density
CN109849329A (zh) * 2019-02-22 2019-06-07 河南科技大学 一种磁流变复合体的快速成形方法
CN109849329B (zh) * 2019-02-22 2021-10-29 河南科技大学 一种磁流变复合体的快速成形方法
CN114062483A (zh) * 2021-11-25 2022-02-18 西安电子科技大学 一种柔性传感器及金属构件缺陷检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW201140137A (en) 2011-11-16
US8861064B2 (en) 2014-10-14
WO2011055347A2 (en) 2011-05-12
US20120225252A1 (en) 2012-09-06
CN102597846B (zh) 2014-12-24
WO2011055347A3 (en) 2011-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102597846B (zh) 用于光学调制与微成型的可变形铁磁性流体层器件
KR101327108B1 (ko) 구조색 생성방법
Kim et al. Light‐driven shape morphing, assembly, and motion of nanocomposite gel surfers
Li et al. Magnetic assembly of nanocubes for orientation-dependent photonic responses
Sundaram et al. Topology optimization and 3D printing of multimaterial magnetic actuators and displays
US11446950B2 (en) Optical device that produces flicker-like optical effects
Zhang et al. Photonic labyrinths: Two-dimensional dynamic magnetic assembly and in situ solidification
Ge et al. Magnetically induced colloidal assembly into field-responsive photonic structures
Yellen et al. Arranging matter by magnetic nanoparticle assemblers
JP5117195B2 (ja) 整列可能なフレークを配向させて形成された運動学的画像
US9482726B2 (en) Fabricating method of magnetic axis controlled structure
KR101476412B1 (ko) 위조 및 변조 방지 장치
Hu et al. Magnetically controllable colloidal photonic crystals: unique features and intriguing applications
EP1902335A2 (en) Assembly of quasicrystalline photonic heterostructures
CN102555434A (zh) 用于在衬底上形成图像的系统和方法
He et al. Assembly and photonic properties of superparamagnetic colloids in complex magnetic fields
CN104903009A (zh) 显示依赖于视角的光学效应的光学效应层、其生产过程和装置、带有光学效应层的物品及其使用
Xue et al. Self-assembly of crystalline structures of magnetic core–shell nanoparticles for fabrication of nanostructured materials
Kerber et al. Interaction of an Archimedean spiral structure with orbital angular momentum light
US20180147879A1 (en) Customization of security display devices
KR101196185B1 (ko) 자성축이 조절된 구조물의 제조방법
JP2006243154A (ja) 粒子移動型表示素子及び粒子移動型表示装置
EP3325277A1 (en) Printed facets
Sidharthan et al. Sub-60 nm Periodic Grating Feature Patterning by Immersion Based 364 nm Laser Interference
Kapoor et al. Design of custom photonic crystal cavities using interference lithography in combination with sidelobe-suppressed Bessel beam and optical phase engineering

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20141224

Termination date: 20201108

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee