CN102667450A - 用于检测并测量高性能装置封装中的环境条件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种环境条件感测装置(800)包含具有光学特性的干涉式调制器，所述光学特性响应于暴露于预定环境阈值或条件而改变。所述装置包含环境反应层(804)，所述环境反应层响应于暴露于预定环境阈值或条件而以光学可检测的方式更改组分。

Description

用于检测并测量高性能装置封装中的环境条件的方法和装置
技术领域
本发明涉及对环境暴露敏感的装置，包含有机发光二极管装置(OLED)和微机电系统(MEMS)。
背景技术
微机电系统(MEMS)包含微机械元件、激活器和电子元件。可使用沉积、蚀刻和/或其它蚀刻掉衬底和/或已沉积材料层的部分或者添加层以形成电装置和机电装置的微加工工艺来产生微机械元件。一种类型的MEMS装置被称为干涉式调制器。如本文中所使用，术语干涉式调制器或干涉式光调制器指使用光学干涉的原理来选择性地吸收和/或反射光的装置。在某些实施例中，干涉式调制器可包含一对导电板，所述对导电板中的一者或两者可为整体或部分透明和/或反射性的，且能够在施加适当电信号时相对运动。在一特定实施例中，一个板可包含沉积于衬底上的静止层，且另一板可包含通过气隙与所述静止层分开的金属膜。如本文中更详细地描述，一个板相对于另一板的位置可改变入射于干涉式调制器上的光的光学干涉。这些装置具有广范围的应用，且在此项技术中，利用且/或修改这些类型装置的特性使得其特征可被发掘用于改进现有产品和制造尚未开发的新产品，将是有益的。
发明内容
附图说明
图1是描绘干涉式调制器显示器的一个实施例的一部分的等角视图，其中第一干涉式调制器的可移动反射层处于经松弛位置，且第二干涉式调制器的可移动反射层处于经激活位置。
图2是说明并入有3×3干涉式调制器显示器的电子装置的一个实施例的系统框图。
图3是图1的干涉式调制器的一个示范性实施例的可移动镜位置对所施加电压的图。
图4是可用于驱动干涉式调制器显示器的一组行电压和列电压的说明。
图5A及5B说明可用以将显示数据的帧写入图2的3×3干涉式调制器显示器的行信号及列信号的一个示范性时序图。
图6A和6B为说明包含多个干涉式调制器的视觉显示装置的实施例的系统框图。
图7A是图1的装置的横截面。
图7B是干涉式调制器的替代实施例的横截面。
图7C是干涉式调制器的另一替代实施例的横截面。
图7D是干涉式调制器的又一替代实施例的横截面。
图7E是干涉式调制器的额外替代实施例的横截面。
图8A为说明处于其初始状态中的环境条件检测装置的实施例的方框图。
图8B为说明在部分化学改质之后的环境条件检测装置的替代性实施例的方框图。
图9为说明空间非均匀化学改质的环境条件检测装置的实施例的俯视图的说明。
图10为环境条件检测装置的实施例的反射率谱的曲线图。
图11为示范性波长下的环境条件检测装置的实施例的反射率的曲线图。
图12为环境条件检测装置的实施例的色度曲线图。
图13为用于检测高性能装置对环境条件的暴露的系统的说明。
图14为制造环境条件检测装置的实施例的工艺的实施例的流程图。
图15为测量环境条件检测装置的实施例对环境条件的响应的工艺的实施例的流程图。
图16为测试环境条件检测装置的实施例对环境条件的暴露水平的工艺的实施例的流程图。
具体实施方式
以下详细描述是针对某些特定实施例。然而，本文的教示可以许多不同方式应用。在此描述中参考图式，其中通篇以相同数字表示相同部件。可在经配置以显示图像(无论是运动图像(例如，视频)还是静止图像(例如，静态图像)，且无论是文本图像还是图形图像)的任何装置中实施所述实施例。更明确地说，预期所述实施例可实施在多种电子装置中或与多种电子装置关联，所述多种电子装置例如(但不限于)移动电话、无线装置、个人数据助理(PDA)、手提式或便携式计算机、GPS接收器/导航器、相机、MP3播放器、摄像机、游戏控制台、手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、计算机监视器、汽车显示器(例如，里程表显示器等)、座舱控制器和/或显示器、相机视图的显示器(例如，车辆中后视相机的显示器)、电子相片、电子广告牌或指示牌、投影仪、建筑结构、包装和美学结构(例如，对于一件珠宝的图像的显示器)。具有与本文中描述的装置类似的结构的MEMS装置也可用于例如电子切换装置的非显示器应用中。
许多装置(包含MEMS装置)对环境条件极其敏感且需要极其密封的特殊封装(包封)。甚至环境条件的小变化(例如，少量气体物质的存在)也可不利地影响此类装置的功能性。某些材料在存在特定气体物质(例如，水、氧等)的情况下容易发生反应。所述反应可随后导致材料的某些光学特性改变。依据所使用的材料和检测方法，可推断出材料已暴露于的气体量，其在特定条件下可加以利用。本文中描述了经配置以响应于暴露到预定环境条件或一组条件而更改的方法和装置。这些装置可包括干涉式调制器，在给予其增强的光学特性的情况下，所述干涉式调制器能够检测此些更改。这些装置可用于各种应用中，例如消费级封装，其中必须监视装运和/或储存期间的条件以确保质量。这些装置还可用于监视MEMS装置的封装中的环境条件。
图1中说明包括干涉式MEMS显示器元件的一个干涉式调制器显示器的实施例。在这些装置中，像素处于明亮状态或黑暗状态。在明亮(“经松弛”或“打开”)状态下，所述显示元件将较大部分的入射可见光反射到用户。当在黑暗(“经激活”或“关闭”)状态下时，所述显示元件将极少入射可见光反射到用户。依据实施例而定，可颠倒“接通”和“断开”状态的光反射特性。MEMS像素可经配置以主要反射选定色彩，从而允许除了黑白显示以外的彩色显示。
图1是描绘视觉显示器的一系列像素中的两个邻近像素的等角视图，其中每一像素包括一MEMS干涉式调制器。在一些实施例中，干涉式调制器显示器包括这些干涉式调制器的行/列阵列。每一干涉式调制器包含一对反射层，其定位成彼此相距可变且可控制的距离以形成具有至少一个可变尺寸的谐振光学间隙。在一个实施例中，可在两个位置之间移动所述反射层中的一者。在第一位置(本文中称为经松弛位置)中，可移动反射层位于距固定部分反射层相对较大的距离处。在第二位置(本文中称为经激活位置)中，可移动反射层定位成更紧密邻近所述部分反射层。视可移动反射层的位置而定，从所述两个层反射的入射光相长地或相消地干涉，从而为每一像素产生全反射状态或非反射状态。
图1中的像素阵列的所描绘部分包含两个邻近干涉式调制器12a和12b。在左侧干涉式调制器12a中，说明可移动反射层14a处于距包含部分反射层的光学堆叠16a预定距离处的经松弛位置中。在右侧干涉式调制器12b中，说明可移动反射层14b处于邻近于光学堆叠16b的经激活位置中。
如本文所引用的光学堆叠16a和16b(统称为光学堆叠16)通常包括若干融合层(fusedlayer)，所述融合层可包含例如氧化铟锡(ITO)的电极层、例如铬的部分反射层和透明电介质。因此，光学堆叠16是导电的、部分透明且部分反射的，且可通过(例如)将上述层的一者或一者以上沉积到透明衬底20上来制造。部分反射层可由例如各种金属、半导体和电介质等部分反射的多种材料形成。部分反射层可由一个或一个以上材料层形成，且所述层中的每一者可由单一材料或材料的组合形成。
在一些实施例中，光学堆叠16的层经图案化成为多个平行条带，且如下文中进一步描述，可在显示装置中形成行电极。可移动反射层14a、14b可形成为所沉积的金属层(一层或多层)的一系列平行条带(与行电极16a、16b正交)以形成沉积于柱18的顶部上的列和沉积于柱18之间的介入牺牲材料。当蚀刻掉牺牲材料时，可移动反射层14a、14b通过所界定的间隙19而与光学堆叠16a、16b分离。例如铝的高度导电且反射的材料可用于反射层14，且这些条带可在显示装置中形成列电极。注意，图1可能未按比例。在一些实施例中，柱18之间的间隔可为大约10-100um，而间隙19可大约＜1000埃。
在未施加电压的情况下，间隙19保留在可移动反射层14a与光学堆叠16a之间，其中可移动反射层14a处于机械松弛状态，如图1中像素12a所说明。然而，当将电位(电压)差施加到选定的行和列时，形成在对应像素处的行电极与列电极的交叉处的电容器变得带电，且静电力将所述电极拉在一起。如果电压足够高，那么可移动反射层14变形且被迫抵靠光学堆叠16。光学堆叠16内的电介质层(在此图中未图示)可防止短路并控制层14与16之间的分离距离，如图1中右侧的经激活的像素12b所说明。不管所施加的电位差的极性如何，表现均相同。
图2到5说明在显示器应用中使用干涉式调制器阵列的一个示范性工艺和系统。
图2是说明可并入有干涉式调制器的电子装置的一个实施例的系统框图。所述电子装置包括处理器21，其可为任何通用单芯片或多芯片微处理器，例如
Figure BDA00001777861000042
8051、
Figure BDA00001777861000043
Figure BDA00001777861000044
或
Figure BDA00001777861000045
或任何专用微处理器，例如数字信号处理器、微控制器或可编程门阵列。如此项技术中常规的，处理器21可经配置以执行一个或一个以上软件模块。除了执行操作系统外，所述处理器可经配置以执行一个或一个以上软件应用程序，包含网络浏览器、电话应用程序、电子邮件程序或任何其它软件应用程序。
在一个实施例中，处理器21还经配置以与阵列驱动器22通信。在一个实施例中，阵列驱动器22包含将信号提供到显示阵列或面板30的行驱动器电路24和列驱动器电路26。在图2中以线1-1展示图1中说明的阵列的横截面。注意，尽管为了清晰起见，图2说明干涉式调制器的3×3阵列，但显示阵列30可含有非常大数目的干涉式调制器，且行中可具有与列中不同的数目的干涉式调制器(例如，每行300个像素×每列190个像素)。
图3是图1的干涉式调制器的一个示范性实施例的可移动镜位置对所施加电压的图。对于MEMS干涉式调制器，行/列激活协议可利用如图3中说明的这些装置的滞后特性。干涉式调制器可能需要(例如)10伏的电位差来致使可移动层从经松弛状态变形为经激活状态。然而，当电压从所述值减小时，可移动层随着电压下降回到低于10伏而维持其状态。在图3的示范性实施例中，可移动层直到电压降到2伏以下时才完全松弛。因此，在图3中说明的实例中存在约3到7V的电压范围，在所述范围中存在所施加电压的窗，在所述窗内装置在经松弛状态或经激活状态中均是稳定的。此窗在本文中被称为“滞后窗”或“稳定窗”。对于具有图3的滞后特性的显示阵列，可设计行/列激活协议使得在行选通期间，已选通行中待激活的像素暴露于约10伏的电压差，且待松弛的像素暴露于接近零伏的电压差。在选通之后，所述像素暴露于约5伏的稳定状态或偏置电压差以使得所述像素保持在行选通将其置于的任何状态。在此实例中，在被写入后，每一像素均经历3到7伏的“稳定窗”内的电位差。此特征使图1中说明的像素设计在相同的施加电压条件下在经激活或经松弛预存在状态下均是稳定的。因为干涉式调制器的每一像素(不论处于经激活还是经松弛状态)本质上是由固定反射层和移动反射层形成的电容器，所以可在滞后窗内的一电压下维持此稳定状态而几乎无功率消耗。如果所施加的电位是固定的，则基本上没有电流流动到像素中。
如下文进一步描述，在典型应用中，可通过根据第一行中的所要的一组经激活像素而跨越一组列电极发送一组数据信号(每一者具有某一电压电平)来产生图像的帧。接着将行脉冲施加到第一行电极，从而激活对应于所述组数据信号的像素。接着改变所述组数据信号以对应于第二行中所需组的经激活像素。接着将脉冲施加到第二行电极，从而根据数据信号而激活第二行中的适当像素。第一行像素不受第二行脉冲影响，且保持于其在第一行脉冲期间被设定的状态中。可以依序方式对整个系列的行重复此过程以产生帧。通常，通过以每秒某一所需数目的帧连续地重复此过程来用新的图像数据刷新且/或更新所述帧。可使用用于驱动像素阵列的行和列电极以产生图像帧的广泛多种协议。
图4和5说明用于在图2的3×3阵列上形成显示帧的一个可能的激活协议。图4说明可用于使像素展示出图3的滞后曲线的一组可能的列和行电压电平。在图4实施例中，激活像素涉及将适当列设置为-Vbias且将适当行设置为+ΔV，其可分别对应于-5伏特和+5伏特。使像素松弛可通过以下方式实现：将适当列设置为+Vbias且将适当行设置为相同+ΔV，进而在像素上产生零伏特的电位差。在行电压保持在零伏的那些行中，不管列处于+Vbias还是-Vbias，所述像素稳定于其初始所处的任何状态。还如图4中所说明，可使用与上文所述的极性相反的极性的电压，例如，激活像素可涉及将适当列设置为+Vbias且将适当行设置为-ΔV。在此实施例中，释放像素是通过以下方式实现的：将适当列设定为-Vbias，且将适当行设定为相同的-ΔV，从而在像素上产生零伏电位差。
图5B是展示施加到图2的3×3阵列的一系列行信号和列信号的时序图，所述系列的行和列信号将产生图5A中说明的显示布置，其中被激活像素为非反射的。在对图5A中说明的帧进行写入之前，像素可处于任何状态，且在此实例中，所有行初始均处于0伏，且所有列均处于+5伏。在这些所施加的电压的情况下，所有像素均稳定于其现有的经激活或经松弛状态中。
在图5A的帧中，像素(1，1)、(1，2)、(2，2)、(3，2)和(3，3)被激活。为了实现此目的，在行1的“线时间”期间，将列1和2设定为-5伏，且将列3设定为+5伏。因为所有像素均保持在3到7伏的稳定窗中，所以这并不改变任何像素的状态。接着用从0伏升到5伏且返回零的脉冲来选通行1。这激活了(1，1)和(1，2)像素且松弛了(1，3)像素。阵列中的其它像素均不受影响。为了视需要设定行2，将列2设定为-5伏，且将列1和3设定为+5伏。施加到行2的相同选通接着将激活像素(2，2)且松弛像素(2，1)和(2，3)。同样，阵列中的其它像素均不受影响。通过将列2和3设定为-5伏且将列1设定为+5伏来类似地设定行3。行3选通设定行3像素，如图5A中所示。在对帧进行写入之后，行电位为零，且列电位可保持在+5或-5伏，且接着显示器稳定于图5A的布置中。可将相同程序用于数十或数百个行和列的阵列。在上文概述的一般原理内，可广泛改变用以执行行和列激活的电压的时序、序列和电平，且以上实例仅为示范性的，且任何激活电压方法均可与本文中所描述的系统和方法一起使用。
图6A和6B是说明显示装置40的实施例的系统方框图。显示装置40可为(例如)蜂窝式电话或移动电话。然而，显示装置40的相同组件或其稍微变化形式也说明例如电视和便携式媒体播放器的各种类型的显示装置。
显示装置40包含外壳41、显示器30、天线43、扬声器45、输入装置48和麦克风46。外壳41通常由多种制造工艺的任一者形成，所述工艺包含注射模制和真空成形。另外，外壳41可由多种材料中的任一者制成，所述材料包含(但不限于)塑料、金属、玻璃、橡胶和陶瓷，或其组合。在一个实施例中，外壳41包含可去除部分(未图示)，所述可去除部分可与其它具有不同颜色或含有不同标识、图片或符号的可去除部分互换。
如本文中所描述，示范性显示装置40的显示器30可为包含双稳态显示器在内的多种显示器中的任一者。在其它实施例中，显示器30包含平板显示器(例如如上所述的等离子体、EL、OLED、STN LCD或TFT LCD)或非平板显示器(例如CRT或其它显像管装置)。然而，出于描述本实施例的目的，如本文中所描述，显示器30包含干涉式调制器显示器。
图6B中示意地说明示范性显示装置40的一个实施例的组件。所说明的示范性显示装置40包含外壳41且可包含至少部分封围在外壳41中的额外组件。举例来说，在一个实施例中，示范性显示装置40包含网络接口27，网络接口27包含耦合到收发器47的天线43。收发器47连接到处理器21，处理器21连接到调节硬件52。调节硬件52可经配置以调节信号(例如，对信号进行滤波)。调节硬件52连接到扬声器45和麦克风46。处理器21也连接到输入装置48和驱动器控制器29。驱动器控制器29耦合到帧缓冲器28且耦合到阵列驱动器22，阵列驱动器22又耦合到显示阵列30。根据特定示范性显示装置40设计的要求，电源50将功率提供到所有组件。
网络接口27包含天线43和收发器47，使得示范性显示装置40可经由网络与一个或一个以上装置通信。在一个实施例中，网络接口27也可具有某些处理能力以减轻对处理器21的要求。天线43是用于发射和接收信号的任何天线。在一个实施例中，所述天线根据IEEE 802.11标准(包含IEEE 802.11(a)、(b)或(g))来发射和接收RF信号。在另一实施例中，所述天线根据蓝牙(BLUETOOTH)标准来发射和接收RF信号。在蜂窝式电话的情况下，所述天线经设计以接收CDMA、GSM、AMPS、W-CDMA或其它用于在无线手机网络内通信的已知信号。收发器47预处理从天线43接收到的信号，使得处理器21可接收所述信号并进一步对所述信号进行操纵。收发器47还处理从处理器21接收到的信号，使得可经由天线43从示范性显示装置40发射所述信号。
在一替代实施例中，收发器47可由接收器取代。在又一替代实施例中，网络接口27可由可存储或产生待发送到处理器21的图像数据的图像源取代。举例来说，所述图像源可为数字视频光盘(DVD)或含有图像数据的硬盘驱动器，或产生图像数据的软件模块。
处理器21一般控制示范性显示装置40的全部操作。处理器21接收例如来自网络接口27或图像源的压缩图像数据的数据，并将所述数据处理成原始图像数据或处理成易被处理成原始图像数据的格式。处理器21接着将已处理的数据发送到驱动器控制器29或发送到帧缓冲器28以供存储。原始数据通常是指识别图像内每一位置处的图像特性的信息。举例来说，这些图像特性可包含颜色、饱和度和灰度级。
在一个实施例中，处理器21包含微控制器、CPU或逻辑单元以控制示范性显示装置40的操作。调节硬件52通常包含放大器和滤波器，用于将信号传输到扬声器45，且用于从麦克风46接收信号。调节硬件52可为示范性显示装置40内的离散组件，或可并入在处理器21或其它组件内。
驱动器控制器29直接从处理器21或从帧缓冲器28取得由处理器21产生的原始图像数据，并适当地重新格式化所述原始图像数据以供高速传输到阵列驱动器22。具体来说，驱动器控制器29将原始图像数据重新格式化为具有光栅状格式的数据流，使得其具有适于在显示阵列30上进行扫描的时间次序。接着，驱动器控制器29将已格式化的信息发送到阵列驱动器22。尽管驱动器控制器29(例如LCD控制器)通常与系统处理器21相关联而作为独立的集成电路(IC)，但可以许多方式实施此些控制器。其可作为硬件嵌入处理器21中，作为软件嵌入处理器21中，或与阵列驱动器22完全集成在硬件中。
通常，阵列驱动器22从驱动器控制器29接收已格式化的信息且将视频数据重新格式化为一组平行波形，所述波形每秒多次地被施加到来自显示器的x-y像素矩阵的数百且有时数千个引线。
在一个实施例中，驱动器控制器29、阵列驱动器22和显示阵列30适用于本文描述的任意类型的显示器。举例来说，在一个实施例中，驱动器控制器29是常规显示器控制器或双稳态显示器控制器(例如，干涉式调制器控制器)。在另一实施例中，阵列驱动器22是常规驱动器或双稳态显示器驱动器(例如，干涉式调制器显示器)。在一个实施例中，驱动器控制器29与阵列驱动器22集成在一起。此实施例在例如蜂窝式电话、手表和其它小面积显示器的高度集成的系统中是常见的。在又一实施例中，显示阵列30是典型的显示阵列或双稳态显示阵列(例如，包含干涉式调制器阵列的显示器)。
输入装置48允许用户控制示范性显示装置40的操作。在一个实施例中，输入装置48包含例如QWERTY键盘或电话小键盘的小键盘、按钮、开关、触敏屏幕、压敏或热敏薄膜。在一个实施例中，麦克风46是用于示范性显示装置40的输入装置。当使用麦克风46将数据输入到所述装置时，用户可提供声音命令以便控制示范性显示装置40的操作。
电源50可包含此项技术中众所周知的多种能量存储装置。举例来说，在一个实施例中，电源50是例如镍镉电池或锂离子电池的可再充电电池。在另一实施例中，电源50是可再生能源、电容器或太阳能电池，包含塑料太阳能电池和太阳能电池涂料。在另一实施例中，电源50经配置以从壁式插座接收电力。
在一些实施方案中，如上文中所描述，控制可编程性驻留在驱动器控制器中，所述驱动器控制器可位于电子显示系统中的若干位置中。在一些情况下，控制可编程性驻留在阵列驱动器22中。上述优化可实施在任何数目的硬件和/或软件组件中且可以各种配置实施。
根据上文陈述的原理而操作的干涉式调制器的结构的细节可广泛变化。举例来说，图7A-7E说明可移动反射层14及其支撑结构的五个不同实施例。图7A是图1的实施例的横截面，其中金属材料条带14沉积在正交延伸的支撑件18上。在图7B中，每一干涉式调制器的可移动反射层14为正方形或矩形形状且仅在系链32上在转角处附接到支撑件。在图7C中，可移动反射层14为正方形或矩形形状且从可包括柔性金属的可变形层34悬垂下来。可变形层34直接或间接地连接到围绕可变形层34的周边的衬底20。这些连接在本文中称为支撑柱。图7D中说明的实施例具有支撑柱插塞42，可变形层34搁置在支撑柱插塞42上。如图7A到7C所示，可移动反射层14保持悬垂在间隙上方，但可变形层34并不通过填充可变形层34与光学堆叠16之间的孔而形成所述支撑柱。而是，支撑柱由平坦化材料形成，所述平坦化材料用于形成支撑柱插塞42。图7E中说明的实施例是基于图7D中展示的实施例，但也可适于与图7A到7C中说明的实施例以及未图示的额外实施例中的任一者一起发挥作用。在图7E中所示的实施例中，已使用金属或其它导电材料的额外层来形成总线结构44。这允许信号沿着干涉式调制器的背面进行路由，从而消除原本可能必须形成在衬底20上的许多电极。
在例如图7中所示的实施例的实施例中，干涉式调制器充当直接观看装置，其中从透明衬底20的前侧观看图像，所述侧与上面布置有调制器的一侧相对。在这些实施例中，反射层14以光学方式遮蔽在反射层的与衬底20相对侧上的干涉式调制器的部分，其包含可变形层34。这允许对遮蔽区域进行配置和操作而不会不利地影响图像质量。举例来说，此遮蔽允许图7E中的总线结构44，其提供使调制器的光学特性与调制器的机电特性分离的能力，例如，寻址和由所述寻址引起的移动。这种可分离的调制器架构允许选择用于调制器的机电方面和光学方面的结构设计和材料且使其彼此独立而发挥作用。此外，图7C到7E中所示的实施例具有源自反射层14的光学特性与其机械特性解耦的额外益处，所述益处由可变形层34实现。这允许用于反射层14的结构设计和材料在光学特性方面得以优化，且用于可变形层34的结构设计和材料在所要的机械特性方面得以优化。
干涉式调制器对光的选择性吸收和反射可结合检测多种材料中的小化学改变的方法而使用。以此方式，干涉式调制器可经配置以用作环境条件监视装置。依据所述装置的特定配置且依据所述装置所暴露于的环境条件，所述装置的光学特性显著改变。
在例如图8中所示的实施例等实施例中，环境反应层804安置于光学增强层808上。在一个实施例中，光学增强层808可包括安置于反射体层807上的电介质层806。光学增强层808可进一步安置于玻璃衬底(未图示)上。在一个实施例中，环境反应层804形成干涉式调制器800的干涉式空腔的部分。此环境条件监视装置800可用于检测对某些环境条件的暴露。图8a展示在暴露于环境条件之前处于其初始配置中的装置800。当环境反应层804暴露于预定环境条件时，其开始化学改质。如图8b中所见，化学改质在环境反应层804的表面上可为非均匀的。化学改质致使环境反应层804的部分转化为化学改质层812。因为环境反应层804和化学改质层812的光学特性是不同的，所以环境反应层804中的改变导致装置800的光学特性中的整体改变。与环境反应层804自身的光学特性中的改变相比，光学增强层808增强了装置800的光学特性中的改变，从而使得装置800对于对预定环境条件的暴露高度敏感。
图9展示图8的环境条件监视装置800的实施例的俯视平面图。在图9中所示的实施例中，环境反应层900未在整个表面上始终均匀地化学改质。在此情况下，环境反应层900的一些区域904可具有与其它区域908、912不同的组分。在一些区域904中，环境层从层的顶部向下化学改质直到层的底部。这些区域904表现为由黑暗区域包围的针孔或亮点。可将层的含有针孔的区域904与层900的总区域进行比较，以暗中估计已与环境反应层900反应的水的量。较小的化学改质水平不表现为针孔，但仍可具有光学特性的改变，例如区域908和912。依据装置的配置，调整检测装置800对此类改变的敏感性。
在一个实施例中，装置800的高敏感性允许对气体到封装中的极低的渗透的未加速的检测，甚至在选择了环境反应层804的较小的总区域时也是如此。此外，高的敏感性允许对环境反应层804的组分和/或厚度中的亚纳米改变的检测。
在一个实施例中，光学增强层808包括经选择以在环境反应层804中形成光学谐振的材料。环境反应层804在此实施例中用作光学吸收体层。环境反应层804可为金属(例如，Al、Ca、Ni)。环境反应层804的厚度可经选择为小于所选择的金属的集肤深度。金属的集肤深度是电磁辐射(例如，光)可穿透金属的表面的深度。此外，环境反应层804的厚度可经选择以结合光学增强层808用作吸收体。
在一实施例中，光学增强层808包括电介质层806和反射体层807。反射体层807可包括金属(例如，Al)。反射体层807的厚度可大于所选择的金属的集肤深度。因此，反射体层807有效地反射光。此外，电介质层的厚度可经选择以使得装置800展现出某些光学特性。举例来说，针对电介质层806而选择的厚度可关于波长使装置800的反射率谱移位，如下文关于图10所论述。
如上文所论述，在图8的一个实施例中，环境反应层804是金属。依据所选择的金属，环境反应层804响应于对预定环境条件的暴露。举例来说，在一个实施例中，将钙选择为环境反应层804。钙容易与水反应，且因此可用于响应于对水的暴露。当钙与水反应时，其转化为电介质，从而形成化学改质层812。这导致钙的层804的高度随着更多的材料发生反应而改变。只要湿气存在且还有钙，所述过程便继续下去。
在其它示范性实施例中，例如硅等半导体可经选择用于环境反应层804。其它示范性材料包含硅石、铝、镍等。
在图8的实施例中，环境反应层804的一些光学特性随着其与环境反应而改变。随后可监视例如色度、反射率、色彩、饱和度和/或色调等光学特性以检测预定环境条件的存在或对预定环境条件的暴露。在一示范性实施例中，环境反应层804包含钙、高度吸光金属。当钙与水反应时，其转化为电介质，从而形成化学改质层812，化学改质层812几乎不具有光学吸收性。因此，环境反应层804对水的暴露导致环境反应层804的反射率谱改变。虽然环境反应层804自身的反射率谱可能不会较大改变，但如图10中所见，装置800的整体光学响应归因于干涉式调制器800的配置而显著改变，所述配置包含安置于光学增强层808上的环境反应层804。在环境反应层804有小改变的情况下，装置800的光学特性显著改变。在一个实施例中，装置800的光学特性对微量环境条件的存在(例如，气体物质(例如，水、氧))具有较大敏感性，其导致环境反应层804中的较小改变。
图10展示装置800的实施例的反射率谱，装置800具有以下初始配置：5nm的铝作为环境反应层804，133nm的SiO2作为电介质层806，以及100nm的铝作为反射体层807，其进一步安置于玻璃衬底上。曲线图1000的每一经编号的线1004到1044表示环境反应层804的不同化学改质水平。每条线1004到1044描绘装置800的特定配置在不同光波长下的反射率，每一配置具有为环境反应层804保留的不同厚度。举例来说，线1004对应于环境反应层804的剩下的0nm厚度的Al，而线1044对应于环境反应层804的剩下的5nm厚度的Al。在图10的实施例中，用于光学增强层808的材料保持恒定，而环境反应层804的化学改质水平在每一经编号的线1004到1044之间改变。如图10中所见，每条线1004到1044之间的反射率的改变取决于入射到装置800的光的波长。为了更好地监视装置800对环境条件的暴露，当测量环境对环境反应层804的影响时，可选择针对环境反应层804的变化厚度具有高增量值的光波长进行分析。举例来说，在图10的实施例中，由于538nm波长下每条线1004到1044之间的高增量值，所以可选择538nm波长进行分析。
所属领域的技术人员将认识到，改变电介质层806、反射体层807和/或环境反应层804的初始厚度和/或材料，且/或改变对环境条件的暴露会改变装置800的反射率响应。举例来说，改变电介质层806的厚度可沿着x轴(波长)使线1004到1044移位。因此，针对环境反应层804的变化厚度具有高增量值的光波长可移位。因此，电介质层806的厚度可经选择以选择特定光波长进行分析。在一个实施例中，经选择用于分析的光波长是基于用以检测反射率的改变的监视设备进行检测的最佳波长。
图11展示环境条件监视装置800的实施例的反射率，环境条件监视装置800具有以下初始配置：5nm的铝作为环境反应层804，133nm的SiO2作为电介质层806，以及100nm的铝作为反射体层807，其进一步安置于玻璃衬底上。在图11的实施例中，在538nm的波长下测量装置800的反射率。所属领域的技术人员将认识到，改变光学增强层808、环境反应层804或对环境条件的暴露会改变装置800的反射率响应。所属领域的技术人员还将认识到，可在其它波长下测量反射率。如曲线图1100中所见，当环境层的化学改质水平改变时，反射率曲线1104可显著改变。在一个示范性实施例中，环境反应层804的化学改质水平涉及在光学增强层808的顶部到化学改质层812的底部之间所测量的层804的剩余高度。所属领域的技术人员将认识到，当环境层的化学改质水平改变时，装置800的其它光学特性(例如，色度)可改变。因此，可测量这些其它光学特性以确定化学改质水平。举例来说，在用于全光谱响应的设备不可用的情况下，可使用色度计或其它设备来测量化学改质水平。
在另一实施例中，当环境反应层804的化学改质水平改变时，装置800的色度可改变。图12展示装置800的实施例的色度图1200，装置800具有以下初始配置：5nm的铝作为环境反应层804，133nm的SiO2作为电介质层806，以及100nm的铝作为反射体层807，其进一步安置于玻璃衬底上。所属领域的技术人员将认识到，改变光学增强层808、环境反应层804或对环境条件的会暴露改变装置800的色度。每一经编号的点1204到1224表示在不同化学改质水平下的装置800的色度。点1204是指在剩下5nm的Al的环境反应层804的开始点处的装置800的色度。每一连续点1208到1224是指在剩下不同量的环境层804情况下的装置800的色度。点1208是指剩下4nm的Al的环境反应层804下的装置800的色度，点1212是指剩下3nm的Al，点1216是指剩下2nm的Al，点1220是指剩下1nm的Al，且点1224是指没有Al剩下的环境反应层804。在一个实施例中，每一经编号的点1204到1224对应于以纳米为单位测量的环境反应层的剩余厚度。如图12中所见，当环境反应层804的化学改质水平从点1204到1224改变时，装置800的色度显著改变。
图13是正用于封装1300中以检测封装1300内部对预定环境条件的暴露的环境条件监视装置800的实施例。所述封装还可包含第二装置1304(例如，MEMS装置(例如，如图1中所示及本文中所描述)、OLED、LED、LCD等)，其对到预定环境条件的暴露敏感。在一个实施例中，所述封装包含窗口或透明覆盖物1308以用于观看环境条件监视装置1312的顶部，因此可在不打开封装的情况下测量光学特性。以此方式，可通过监视暴露于相同环境条件的监视装置1312的光学特性中的改变来确定第二装置1304对预定环境条件的暴露。
在一个实施例中，根据图14的工艺1400来制造装置800。装置800的配置取决于制造工艺1400。工艺1400的第一步骤1404是让制造商选择环境反应层804的材料和初始厚度。对材料的类型及材料的量两者的选择影响装置的整体功能性。依据装置800的所要敏感性和大小以及正监视的环境条件，制造商选择用于环境反应层804的材料。如关于图8的实施例所描述，可选择例如钙、铝、镍、硅、硅石等材料来用于环境反应层804。在一个实施例中，可将环境反应层804选择为具有起初具有高光学吸收性的厚度的材料，例如金属。此外，用于实施例的材料可经选择以使得当环境反应层804暴露于环境条件时，其化学改质为具有极小或不具有光学吸收性的层812，例如，电介质。所属领域的技术人员将注意到，已知与某些环境条件(例如，特定气体物质)反应的若干其它材料也可用于环境反应层804。
制造商可在第一步骤1404中选择用于环境反应层804的特定厚度以增强对环境层804中的改变的光学响应。在一个实施例中，环境反应层804的初始厚度可经选择为小于如上文关于图8所描述而选择的金属的集肤深度。在另一实施例中，环境反应层804的初始厚度为约5nm。在又一实施例中，初始厚度经选择为在0nm与10nm之间，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm。在进一步的实施例中，所述厚度在3nm与7nm之间选择，例如4nm、5nm、6nm。在另一实施例中，可将所述厚度选择为约20nm。
制造商还可在第一步骤1404中根据装置800的所要敏感性和装置800的整体大小来选择环境反应层804的表面区域。在示范性实施例中，装置800的整体大小受到将在其中使用装置800的封装1300的大小限制，如图13中所见。装置800的光学特性可依据经选择用于环境反应层804的表面区域而不同地改变。在一些实施例中，较大区域可更为合意，因为其可由裸眼看见。在其它实施例中，较小区域可更为合意，其中其配合于有限大小的封装1300中。在一个实施例中，表面区域经选择为约5x5mm。在另一实施例中，表面区域经选择为约.3x.3mm。
接下来，在步骤1408处，在根据图14的实施例制造装置的工艺1400中，选择用于光学增强层808的材料。对材料的类型及材料的量两者的选择影响装置800的整体功能性。依据装置800的所要敏感性和大小以及正监视的环境条件，选择用于光学增强层808的材料。进一步依据用于环境反应层804的材料和/或待监视的光的所要波长，选择用于光学增强层808的材料。在一个实施例中，光学增强层808的材料和量经选择以在环境反应层804中形成光学谐振。在第二实施例中，光学增强层808经配置以在装置800中产生特定堆叠色彩(例如，蓝色)以使人类观察者容易检测环境反应层804中的改变，而不使用测量设备。在另一实施例中，光学增强层808经配置以在装置800中产生最低的反射状态，以最大化测量设备进行的信号检测。在又一实施例中，光学增强层808是电介质增强型金属反射体层。在示范性实施例中，光学增强层808包含在铝上涂覆的SiO2，从而形成堆叠。
此外，在步骤1408中，制造商可选择光学增强层808的厚度以使得装置800具有所要的光学响应。在一实施例中，所述厚度经选择以使得光的所要波长被大体上吸收于环境反应层804中。这归因于在光入射时环境反应层804中的所要波长的电场的集中。在此实施例中，装置800的外观随着环境反应层804的厚度和/或组分改变而改变。光学增强层808经配置以增强环境反应层804的光学特性。在一个实施例中，光学增强层808包含约100nm的Al的顶部上的约133nm的SiO2。还可使用所属领域的技术人员已知的用以选择性地反射和吸收光的其它材料和厚度。
继续到图14的制造工艺的步骤1416，其是在光学增强层808上沉积环境反应层804。在示范性实施例中，可通过化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积或离子镀敷来实现材料的沉积。还可使用其它材料沉积方法。
图15描述响应于对预定环境条件的暴露而测试装置800的光学特性的过程1500。在示范性实施例中，可由人类或由计算机或其它自动化装置实行测试过程1500的步骤。根据图14的制作过程1400，装置800经配置以检测环境反应层804的组分中的小的改变。在一个实施例中，装置800经配置以在环境反应层804的水平中的约.2nm的改变下显著改变光学响应。此细小间隔允许例如在使用沉积于进一步位于玻璃衬底的顶部上的铝的顶部上的SiO2上的钙的实施例中检测约10-11克的水。装置800可经配置以使用所描述的材料和方法检测高度的更小的改变。在另一实施例中，装置800可经配置以检测环境反应层804中的亚纳米改变。
在过程1500中的步骤1504处，装置800暴露于环境条件。如关于图8所描述，此导致环境反应层804化学改质以及装置800的光学特性改变。接下来，在步骤1508处，使用测量设备来监视光学特性中的改变。在一个实施例中，所述测量设备经配置以测量反射率。在示范性实施例中，所述测量设备包含CCD相机、光纤探针、CMOS传感器或其它已知的图像传感器设备。在一个实施例中，CCD相机可提供所测量的样本区域上的色彩分布的空间图且因此提供环境反应层804的量的空间图。在另一实施例中，可不使用测量设备，因为通过直接在装置800处观看来实现对装置800对环境条件的暴露的检测。在进行下去的步骤1512中，可随后记录在对环境条件的特定暴露水平下的装置800的光学特性。可在决策步骤1516处重复过程1500，使得记录在许多暴露水平下的装置800的光学特性的数据集合。如果在决策步骤1516处决定继续，则重复步骤1504到1512。特定来说，在步骤1504中，装置800进一步暴露于环境条件，进一步导致环境反应层804化学改质。如果在决策步骤1516处决定不继续，则过程结束。在一个实施例中，数据可存储于数据库中，存储为图表等。在一些实施例中，可从所述数据得到曲线图。
装置800和/或环境反应层804的光学响应特性可能已经是已知的，且此类数据可不需要由图15的过程搜集。
图16描述装置的用户借以使用环境条件监视装置800来检测对预定环境条件的暴露的过程1600。类似于图15中监视装置800的光学特性中的改变的步骤1508，在第一步骤1604中使用测量设备来测量装置800的光学特性。在第二步骤1608中，来自测量设备的结果随后与图15的过程1500中所收集的数据或装置800的光学响应的已知数据进行比较。通过检查例如环境反应层804的表面区域、用于装置800的组分中的材料、装置800的光学响应中的改变和正检测的环境条件等因素，在最终步骤1612中计算对环境条件的暴露水平。以此方式，可确定装置800对环境条件的暴露。
在步骤1608的一个实施例中，给定时刻下的装置800的空间图可与装置800的相同配置下的预先收集的数据进行比较。在步骤1608的其它示范性实施例中，可经由图表或数据表或其它已知的关系图手段来进行比较。所述比较可手动完成或借助于计算机或其它数据处理装置实施。在示范性实施例中，可将所述处理装置建置于与测量设备相同的外壳中，或可为单独的。
在一个实施例中，装置800经配置以在对环境条件的特定量的暴露下改变色彩，其中可在没有测量设备的情况下检测色彩的改变(例如，可用裸眼检测)。在此实施例中，步骤1612不需要特定计算，而是对环境条件的暴露量就是装置800经配置以改变色彩的量。
虽然在详细描述中将以上过程1400、1500和1600描述为包含某些步骤且以特定次序描述，但应认识到，这些过程可包含额外步骤或可省略所描述的步骤中的一些。此外，所述过程的步骤中的每一者不一定需要以描述所述步骤的次序执行。举例来说，过程1400的步骤1416可省略，或步骤1408可在步骤1404之前执行。
在其它示范性实施例中，装置800对环境条件的敏感性进一步取决于环境反应层804对环境条件的存在发生反应的速率。在此些实施例中，反应速率越快，装置800的光学特性响应于对环境条件的暴露改变得越快。
环境反应层804的组分改变的速率可取决于其对某些条件的暴露。举例来说，在选择金属来用于环境反应层804的实施例中，环境反应层804所暴露于的压力和/或温度可改变其与环境条件反应的速率。提高温度可增加层804化学改质的速度。在一个实施例中，装置800暴露于特定温度和/或压力以调整环境反应层804对预定环境条件发生反应的速率。
在选择半导体来用于环境反应层804的实施例中，环境反应层804所暴露于的光的剂量改变了其在存在预定环境条件的情况下化学改质的速率。举例来说，通过将光吸收于半导体中而引起的电子空穴产生可极大地加速半导体材料的化学改变。在一个实施例中，其中硅用于环境反应层804，此加速是基于电化学效应，例如当具有大于电子带隙的能量的光入射于环境反应层804上时硅与氧化剂的反应性。在示范性实施例中，环境反应层804在暴露于较高剂量的光时以更快的速率从导电组分(光学吸收)改变为化学改质层812(绝缘体组分(较少的光学吸收))。
在选择半导体来用于环境反应层804的一个实施例中，装置800用作光增强化学检测装置，或辐射监视器(例如，剂量仪)。在此实施例中，入射于装置800上的UV辐射的强度可与环境反应层804的化学改变相关(例如，在UV的影响下，在存在氧和水、共同气氛条件下硅的氧化)。通过监视装置800的光学特性(如图15的步骤1508中)来实现此相关，当光加速的化学改变导致环境反应层804的光学吸收性的改变时，所述光学特性受到影响。在另一实施例中，装置800暴露于特定剂量的光以调整环境反应层对预定环境条件发生反应的速率。
尽管以上详细描述已展示、描述并指出本发明的应用于各种实施例的新颖特征，但将理解，所属领域的技术人员可在不偏离本发明的精神的情况下对所说明的装置或过程的形式和细节进行各种省略、替代和改变。如将认识到的，可在不提供本文中所阐述的所有特征和益处的形式内体现本发明，因为一些特征可与其它特征分开地使用或实践。

Claims (20)

1.一种环境条件监视装置，其包括：
环境反应层，其具有一组分，所述环境反应层的所述组分经配置以响应于对环境条件的暴露而更改；以及
干涉式调制器，所述干涉式调制器的反射率谱随所述环境反应层的所述组分而变。
2.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述干涉式调制器包括所述环境反应层，且其中所述环境反应层在所述干涉式调制器中界定干涉式空腔的边界。
3.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境反应层的厚度小于10nm。
4.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境条件是水。
5.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境条件是气体物质。
6.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境反应层的所述组分响应于对环境条件的暴露而更改的速率是通过所述环境反应层所暴露于的光的剂量来更改。
7.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境反应层的所述组分响应于对环境条件的暴露而更改的速率是通过所述环境反应层所暴露于的温度来更改。
8.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其进一步包括电介质层。
9.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境反应层是金属。
10.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述环境反应层是半导体。
11.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述干涉式调制器的反射率在选定波长下随所述环境反应层的所述组分而变。
12.根据权利要求1所述的环境条件监视装置，其中所述干涉式调制器的色度随所述环境反应层的所述组分而变。
13.一种环境条件监视装置，其包括：
用于以干涉方式调制光的装置；以及
用于响应于对环境条件的暴露而更改所述光调制装置的反射率谱的装置。
14.根据权利要求13所述的环境条件监视装置，其中所述用于以干涉方式调制光的装置包括干涉式调制器。
15.根据权利要求13所述的环境条件监视装置，其中所述用于更改所述光调制装置的反射率的装置包括具有一组分的环境反应层，所述组分经配置以响应于对环境条件的暴露而更改。
16.一种制造环境条件监视装置的方法，所述方法包括：
形成具有环境反应层的干涉式调制器，所述环境反应层的组分经配置以响应于对环境条件的暴露而更改，所述干涉式调制器的反射率随所述环境反应层的所述组分而变。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括配置所述干涉式调制器或所述环境反应层，使得所述干涉式调制器的所述反射率在选定波长下随所述环境反应层的所述组分而变。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括配置所述干涉式调制器以响应于对所述环境条件的暴露而跟踪所述干涉式调制器的色度以及所述环境反应层中的针孔的外观的改变。
19.一种检测对环境条件的暴露的方法，所述方法包括：
提供具有环境反应层的干涉式调制器，所述环境反应层的组分经配置以响应于对所述环境条件的暴露而更改，所述干涉式调制器的反射率随所述环境反应层的厚度而变。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括响应于对所述环境条件的暴露而监视所述干涉式调制器的色度以及所述环境反应层中的针孔的外观的改变。
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