CN102804022B - 模拟干涉式调制器 - Google Patents

Abstract

本发明描述用于校准并控制经配置以具有多个致动状态的模拟干涉式调制器的致动的方法及装置。本发明还描述用于校准模拟干涉式调制器以随着所施加电压而变而作出响应的装置及方法。

Description

模拟干涉式调制器

技术领域

本发明涉及用于模拟干涉式调制器的驱动方案及校准方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)包括微机械元件、致动器及电子装置。可使用沉积、蚀刻，及/或蚀刻掉衬底及/或所沉积材料层的多个部分或者添加层以形成电装置及机电装置的其它微机械加工工艺来产生微机械组件。一类型的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“干涉光调制器”指代使用光学干涉原理以光谱选择性方式吸收及/或反射光的装置。

相关技术的描述

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完全或部分为透明及/或反射性的，且能够在施加适当电信号后即进行相对运动。在一特定实施例中，一个板可包含沉积于衬底上的固定层，且另一板可包含通过气隙而与所述固定层分离的金属膜。如本文中更详细描述，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。这些装置具有广泛范围的应用，且在此项技术中利用及/或修改这些类型的装置的特性以使得其特征可在改进现有产品及产生尚未开发的新产品时被采用将为有益的。

发明内容

附图说明

图1为描绘一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松弛位置，且第二干涉式调制器的可移动反射层处于致动位置。

图2为说明并入有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为图1的干涉式调制器的一个示范性实施例的可移动反射镜位置对所施加电压的图式。

图4为可用以驱动干涉式调制器显示器的一组行电压及列电压的说明。

图5A及图5B说明可用以将显示数据的帧写入到图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及图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为图1的装置的横截面。

图7B为干涉式调制器的一替代实施例的横截面。

图7C为干涉式调制器的另一替代实施例的横截面。

图7D为干涉式调制器的又一替代实施例的横截面。

图7E为干涉式调制器的一额外替代实施例的横截面。

图8为具有三个层的干涉式调制器的实施例的横截面，其中可移动中间层处于松弛位置。

图9为具有安置于第一层上的电阻性元件的图8的实施例的干涉式调制器的横截面。

图10为具有控制电路的图8的实施例的干涉式调制器的横截面。

图11为说明不同致动位置的图8的实施例的干涉式调制器的横截面。

图12为经设计以补偿寄生电容的图8的实施例的干涉式调制器的说明。

图13为校准图9的实施例的干涉式调制器的过程的实施例的流程图。

图14A到图14E说明校准过程的实施例的各个阶段中的图9的实施例的干涉式调制器。

具体实施方式

以下实施方式是针对某些具体实施例。然而，可以众多不同方式来应用本文中的教示。在此描述中，参看图式，其中相似部分始终用相似数字来指明。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)，且无论是文字图像还是图片图像)的任何装置中实施所述实施例。更特定来说，预期所述实施例可实施于例如(但不限于)以下各者的多种电子装置中或与所述电子装置相关联：移动电话、无线装置、个人数据助理(PDA)、手持式或便携式计算机、GPS接收器/导航器、相机、MP3播放器、摄录机、游戏控制台、腕表、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)、驾驶舱控制及/或显示器、相机视野显示器(例如，车辆中的后视相机的显示器)、电子照片、电子广告牌或标志、投影仪、建筑结构、封装及美学结构(例如，一件珠宝上的图像显示)。与本文中所描述的MEMS装置结构类似的MEMS装置还可用于例如电子开关装置等非显示应用中。

在本文中描述与模拟干涉式调制器有关的方法及装置。可将模拟干涉式调制器驱动到各自具有不同光学性质的若干不同状态。具体来说，描述用于校准并控制模拟干涉式调制器的致动以实现各种状态的方法及装置。

在图1中说明一个包含干涉MEMS显示元件的干涉式调制器显示器实施例。在这些装置中，每一像素处于明亮或黑暗状态。在明亮(“松弛”或“打开”)状态下，显示元件将入射可见光的大部分反射到用户。当处于黑暗(“致动”或“关闭”)状态时，显示元件向用户反射极少入射可见光。视实施例而定，可颠倒“接通”与“断开”状态的光反射性质。MEMS像素可经配置以主要在选定颜色下反射，从而允许除黑色及白色外的彩色显示。

图1为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，其中每一像素包含一MEMS干涉式调制器。在一些实施例中，干涉式调制器显示器包含这些干涉式调制器的行/列阵列。每一干涉式调制器包括位于距跨越可见光谱或多或少均匀地吸收光能量的另一层可变且可控距离处的高反射层，从而形成可控光学间隙。在一个实施例中，所述反射层可在两个位置之间移动。在第一位置(在本文中称为松弛位置)中，可移动反射层位于距所述吸收层相对大距离处。在第二位置(本文中称为致动位置)中，可移动反射层位于更紧密邻近于所述吸收层处。从反射层反射的入射光在反射层与吸收层之间的间隙内相长地或相消地进行干涉，此确定来自像素的反射处于高反射状态还是高吸收状态。

图1中的像素阵列的所描绘部分包括两个邻近的干涉式调制器12a及12b。在左边的干涉式调制器12a中，可移动反射层14a经说明为处于与光学堆叠16a相距一预定距离的松弛位置中，光学堆叠16a包括部分反射层。在右边的干涉式调制器12b中，可移动反射层14b经说明为处于邻近于光学堆叠16b的致动位置中。

如本文中所提及的光学堆叠16a及16b(统称为光学堆叠16)通常包含若干分层层，所述分层层可包括例如氧化铟锡(ITO)的电极层、例如铬的吸收层及透明电介质。光学堆叠16由此为导电的、部分透明的且部分反射的，且可(例如)通过将以上层中的一者或一者以上沉积到透明衬底20上而制造。吸收层可由例如各种金属、半导体及电介质等部分反射的多种材料形成。吸收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的层经图案化为平行条带，且可形成如下文进一步描述的显示装置中的行电极。可移动反射层14a、14b可作为一(多个)经沉积金属层的一系列平行条带(与行电极16a、16b正交)而形成，以形成沉积于柱18的顶部的若 干列及沉积于柱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通过一经界定间隙19而与光学堆叠16a、16b分离。例如铝的高导电及反射性材料可用于反射层14，且这些条带可形成显示装置中的列电极。注意，图1可能未按比例绘制。在一些实施例中，柱18之间的间距可为约10um到100um，而间隙19可在0埃到6000埃的范围中。

在未施加电压的情形下，间隙19保持于可移动反射层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，如由图1中的像素12a所说明。然而，当将电位(电压)差施加到选定的行及列时，在对应像素处的行电极与列电极的相交处所形成的电容器变得带电，且静电力将电极拉在一起。如果电压足够高，则可移动反射层14变形且压抵光学堆叠16。光学堆叠16内的电介质层(此图中未说明)可防止短路并控制层14与16之间的分离距离，如由图1中右边的致动像素12b所说明。不管所施加电位差的极性如何，行为均是相同的。

图2到图5说明一个用于在显示应用中使用干涉式调制器阵列的示范性过程及系统。

图2为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，所述处理器21可为任何通用单芯片或多芯片微处理器(例如，ARM、Pentium、8051、MIPS、Power PC或ALPHA)，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)。如此项技术中的惯例，处理器21可经配置以执行一个或一个以上软件模块。除执行操作系统外，处理器还可经配置以执行一个或一个以上软件应用程序，包括网页浏览器、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包括行驱动器电路24及列驱动器电路26，所述电路提供信号到显示阵列或面板30。图1中所说明的阵列的横截面由图2中的线1-1所展示。注意，尽管为简明起见，图2说明3×3干涉式调制器阵列，但显示阵列30可含有非常大数目个干涉式调制器，且可具有呈行及呈列的不同数目个干涉式调制器(例如，300像素每行乘190像素每列)。

图3为图1的干涉式调制器的一个示范性实施例的可移动反射镜位置对所施加电压的图式。对于MEMS干涉式调制器，行/列致动协议可利用如图3中所说明的这些装置的滞后性质。干涉式调制器可能需要(例如)10伏特电位差，以使得可移动层从松弛状态变形到致动状态。然而，当电压从所述值减小时，随着电压下降回到10伏特以下， 可移动层维持其状态。在图3的示范性实施例中，可移动层直到电压下降到2伏特以下才完全松弛。因此，存在一电压范围(在图3中所说明的实例中为约3V到7V)，在所述情况下，存在一所施加电压窗，在所述所施加电压窗内，装置稳定于松弛或致动状态。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来说，行/列致动协议可经设计，以使得在行选通期间，所选通行中的待致动的像素暴露于约10伏特的电压差，且待松弛的像素暴露于接近零伏特的电压差。在选通之后，使像素暴露于稳定状态或约5伏特的偏置电压差，使得其保持于行选通将其置于的任何状态。在此实例中，在被写入之后，每一像素经历3伏特到7伏特的“稳定窗”内的电位差。此特征使图1中所说明的像素设计在相同所施加电压条件下稳定于致动的或松弛的预先存在状态。由于干涉式调制器的每一像素(无论处于致动状态或松弛状态)基本上为由固定及移动反射层所形成的电容器，因此可在滞后窗内的一电压下保持此稳定状态，而几乎无功率耗散。如果所施加的电位固定，则基本上无电流流到像素中。

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致动像素集合而跨越列电极集合发送数据信号(各自具有某一电压电平)的集合来产生图像的帧。接着将行脉冲施加到第一行电极，从而致动对应于所述数据信号集合的像素。接着改变所述数据信号集合以使其对应于第二行中的所要致动像素集合。接着将脉冲施加到第二行电极，从而根据数据信号致动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到的状态。对于整个系列的行，可以顺序型式重复此过程以产生帧。一般来说，通过以每秒某一所要数目个帧不断地重复此过程而以新图像数据来刷新及/或更新帧。可使用用于驱动像素阵列的行及列电极以产生图像帧的广泛多种协议。

图4及图5说明一个用于在图2的3×3阵列上产生显示帧的可能的致动协议。图4说明可用于展现图3的滞后曲线的像素的可能的列及行电压电平集合。在图4实施例中，致动一像素涉及将适当列设定为-V_bias且将适当行设定为+ΔV，-V_bias及+ΔV可分别对应于-5伏特及+5伏特。通过将适当列设定为+V_bias且将适当行设定为相同的+ΔV来实现松弛所述像素，从而跨越所述像素产生零伏特电位差。在将行电压保持于零伏特的那些行中，无论列是处于+V_bias还是-V_bias，像素均稳定于其最初所处的任何状态。如图4中还说明，可使用极性与上述电压的极性相反的电压，例如，致动一像素可涉及将适当列设定为+V_bias且将适当行设定为-ΔV。在此实施例中，通过将适当列设定为-V_bias且将适当行设定为相同的-ΔV而实现释放所述像素，从而跨越所述像素产生零伏特电位差。

图5B为展示施加到图2的3×3阵列的一系列行及列信号的时序图，其将产生图5A 中所说明的显示布置，其中被致动的像素为非反射性的。在写入图5A中所说明的帧之前，像素可处于任何状态，且在此实例中，所有行最初处于0伏特且所有列处于+5伏特。通过这些所施加电压，所有像素稳定于其现有的致动或松弛状态。

在图5A帧中，像素(1，1)、(1，2)、(2，2)、(3，2)及(3，3)被致动。为实现此情形，在行1的“线时间”期间，将列1及列2设定为-5伏特，且将列3设定为+5伏特。因为所有像素均保持在3伏特到7伏特的稳定窗中，所以此情形并不改变任何像素的状态。接着，用从0上升到5伏特且返回到零的脉冲对行1进行选通。此情形致动(1，1)及(1，2)像素并使(1，3)像素松弛。阵列中的其它像素不受影响。为了按需要设定行2，将列2设定为-5伏特且将列1及列3设定为+5伏特。施加到行2的相同选通将接着致动像素(2，2)且使像素(2，1)及(2，3)松弛。同样，阵列的其它像素不受影响。通过将列2及列3设定为-5伏特且将列1设定为+5伏特而类似地设定行3。行3选通设定列3像素，如图5A中所展示。在写入帧之后，行电位为零，且列电位可保持于+5或-5伏特，且显示器接着稳定于图5A的布置。同一程序可用于数十或数百个行及列的阵列。在上文概述的一般性原理内，用以执行行及列致动的时序、顺序及电压电平可广泛地变化，且以上实例仅为示范性的，且任何致动电压方法可与本文中所描述的系统及方法一起使用。

图6A及图6B为说明显示装置40的实施例的系统框图。显示装置40可为(例如)蜂窝式或移动电话。然而，显示装置40的相同组件或其轻微变化还说明各种类型的显示装置，例如电视及便携式媒体播放器。

显示装置40包括外壳41、显示器30、天线43、扬声器45、输入装置48及麦克风46。外壳41一般由多种制造工艺(包括注射模制及真空成形)中的任一者来形成。另外，外壳41可由多种材料中的任一者(包括但不限于塑料、金属、玻璃、橡胶及陶瓷，或其组合)制成。在一个实施例中，外壳41包括可与具有不同颜色或含有不同标识、图片或符号的其它可移除部分互换的可移除部分(未图示)。

示范性显示装置40的显示器30可为包括如本文中所描述的双稳态显示器的多种显示器中的任一者。在其它实施例中，显示器30包括：平板显示器，例如如上文所描述的等离子、EL、OLED、STN LCD或TFT LCD；或非平板显示器，例如CRT或其它管装置。然而，为了描述本实施例的目的，显示器30包括如本文中所描述的干涉式调制器显示器。

示范性显示装置40的一个实施例的组件示意性地说明于图6B中。所说明的示范性显示装置40包括外壳41，且可包括至少部分地封闭于所述外壳中的额外组件。举例来说，在一个实施例中，示范性显示装置40包括网络接口27，所述网络接口27包括耦合 到收发器47的天线43。收发器47连接到处理器21，所述处理器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及麦克风46。处理器21还连接到输入装置48及驱动器控制器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，所述阵列驱动器22又耦合到显示阵列30。电源50如特定示范性显示装置40设计所要求而将电力提供到所有组件。

网络接口27包括天线43及收发器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还可具有一些处理能力以减轻处理器21的要求。天线43为用于发射及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(包括IEEE 802.11(a)、(b)或(g))来发射及接收RF信号。在另一实施例中，所述天线根据蓝牙(BLUETOOTH)标准发射及接收RF信号。在蜂窝式电话的状况下，所述天线经设计以接收CDMA、GSM、AMPS、W-CDMA，或用以在无线手机网络内通信的其它已知信号。收发器47预处理从天线43接收的信号，以使得其可由处理器21接收且进一步操纵。收发器47还处理从处理器21接收的信号，以使得其可从示范性显示装置40经由天线43而发射。

在一替代实施例中，收发器47可由接收器替换。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替换。举例来说，图像源可为含有图像数据的数字视频光盘(DVD)或硬盘机，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的整个操作。处理器21从网络接口27或图像源接收例如压缩图像数据的数据，且将数据处理为原始图像数据或处理为易于处理为原始图像数据的格式。处理器21接着将经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。原始数据通常指代识别一图像内的每一位置处的图像特性的信息。举例来说，这些图像特性可包括颜色、饱和度及灰度阶。

在一个实施例中，处理器21包括微控制器、CPU，或用以控制示范性显示装置40的操作的逻辑单元。调节硬件52一般包括用于将信号发射到扬声器45且用于从麦克风46接收信号的放大器及滤波器。调节硬件52可为示范性显示装置40内的离散组件，或可并入于处理器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，且适当地重新格式化原始图像数据以用于向阵列驱动器22高速传输。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，以使得其具有适于跨越显示阵列30而扫描的时间次序。接着，驱动器控制器29将经格式化的信息发送到阵列驱动器22。尽管例如LCD控制器等驱动器控制器29常常作为独立集成 电路(IC)与系统处理器21相关联，但这些控制器可以许多方式实施。其可作为硬件嵌入于处理器21中、作为软件嵌入于处理器21中，或以硬件形式与阵列驱动器22完全整合。

通常，阵列驱动器22从驱动器控制器29接收经格式化的信息，且将视频数据重新格式化为一组平行波形，所述组波形每秒许多次地施加到来自显示器的x-y像素矩阵的数百且有时数千条引线。

在一个实施例中，驱动器控制器29、阵列驱动器22及显示阵列30适合于本文中所描述的类型的显示器中的任一者。举例来说，在一个实施例中，驱动器控制器29为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为常规驱动器或双稳态显示驱动器(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整合。此实施例在例如蜂窝式电话、腕表及其它小面积显示器等高度整合的系统中为常见的。在又一实施例中，显示阵列30为典型显示阵列或双稳态显示阵列(例如，包括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包括例如QWERTY键盘或电话小键盘等小键盘、按钮、开关、触敏屏幕、压敏或热敏膜。在一个实施例中，麦克风46为用于示范性显示装置40的输入装置。当使用麦克风46将数据输入到装置时，可由用户提供用于控制示范性显示装置40的操作的语音命令。

电源50可包括如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为例如镍镉电池或锂离子电池等可再充电电池。在另一实施例中，电源50为可再生能源、电容器或太阳能电池(包括塑料太阳能电池及太阳能电池漆)。在另一实施例中，电源50经配置以从壁式插座接收电力。

如上文所描述，在一些实施方案中，控制可编程性驻留于可位于电子显示系统中若干地方的驱动器控制器中。在一些状况下，控制可编程性驻留于阵列驱动器22中。上述最优化可在任何数目个硬件及/或软件组件中且以各种配置来实施。

根据上文所阐述的原理操作的干涉式调制器的结构细节可广泛地变化。举例来说，图7A到图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为图1的实施例的横截面，其中金属材料的条带14沉积于正交地延伸的支撑件18上。在图7B中，每一干涉式调制器的可移动反射层14的形状为正方形或矩形的，且仅在系栓32上的角部处附接到支撑件。在图7C中，可移动反射层14的形状为正方形或矩形的，且从可包含柔性金属的可变形层34悬置。可变形层34在可变形层34的周边周围直接或间 接地连接到衬底20。这些连接在本文中被称作支撑柱。图7D中所说明的实施例具有支撑柱插塞42，可变形层34搁置于所述支撑柱插塞42上。可移动反射层14如在图7A到图7C中保持悬置于间隙上方，但可变形层34不会通过填充可变形层34与光学堆叠16之间的孔洞而形成支撑柱。实情为，支撑柱由平坦化材料形成，所述平坦化材料用以形成支撑柱插塞42。图7E中所说明的实施例是基于图7D中所展示的实施例，但还可适于与图7A到图7C中所说明的实施例中的任一者以及未展示的额外实施例一起工作。在图7E中所展示的实施例中，金属或其它导电材料的附加层已用以形成总线结构44。此情形允许沿干涉式调制器的背面的信号路由，从而消除原本可能必须形成于衬底20上的多个电极。

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视装置，其中从透明衬底20的前侧检视图像，所述侧与其上布置有调制器的侧相对。在这些实施例中，反射层14以光学方式遮蔽与衬底20相对的反射层的侧上的干涉式调制器部分(包括可变形层34)。此情形允许所遮蔽区域经配置且在其上进行操作，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，所述结构提供将调制器的光学性质与调制器的机电性质(例如，寻址及由所述寻址所引起的移动)分开的能力。此可分开的调制器架构允许用于调制器的机电方面与光学方面的结构设计及材料彼此独立地选择并起作用。此外，图7C到图7E中所展示的实施例具有得自将反射层14的光学性质与其机械性质解耦的额外益处，所述益处由可变形层34实现。此情形允许用于反射层14的结构设计及材料关于光学性质而最优化，且允许用于可变形层34的结构设计及材料关于所要机械性质而最优化。

上文所描述的干涉式调制器为具有松弛状态及致动状态的双稳态显示元件。然而，以下描述涉及模拟干涉式调制器。这些模拟干涉式调制器具有一状态范围。举例来说，在模拟干涉式调制器的一个实施例中，单一干涉式调制器可具有红色状态、绿色状态、蓝色状态、黑色状态及白色状态。因此，单一干涉式调制器经配置以具有在广泛范围的光谱上具有不同光反射性质的各种状态。此外，模拟干涉式调制器的光学堆叠可与上文所描述的双稳态显示元件不同。这些差异可产生不同光学结果。举例来说，在上文所描述的双稳态元件中，闭合状态向双稳态元件提供黑色反射状态。然而，模拟干涉式调制器在电极处于与双稳态元件的闭合状态类似的位置时具有白色反射状态。

图8为具有三层或电极设计的模拟干涉式调制器800的示范性实施例。调制器800包括上部电极802。在一个实施例中，电极802为由金属制成的板。可使用加强层803来加强上部电极802。在一个实施例中，加强层803为电介质。加强层803可用以保持 上部电极802刚性且实质上平坦。调制器800还包括中间电极806及下部电极810。所述三个电极通过绝缘柱804而电绝缘。绝缘柱804还用以在不存在静电力时将电极802与810之间的中间电极806保持于稳定状态。中间电极806具有安置于其上的加强层808。在一个实施例中，加强层808由氮氧化硅制成。中间电极806经配置以在上部电极802与下部电极810之间的区域中移动。加强层808在中间电极806移动于电极802与810之间时保持中间电极806的一部分刚性且实质上平坦。在一个实施例中，将加强层808安置于中间电极806的中央部分上。在此实施例中，中间电极806的侧面部分能够随着中间电极806移动而弯曲。在图8中，在整个电极实质上平坦的平衡位置展示中间电极806。随着中间电极806移动远离此平衡位置，中间电极806的侧面部分将变形或弯曲。中间电极806的侧面部分实施施加一力以使中间电极806移动返回到平衡位置的弹性弹簧力。中间电极806还用作用以反射通过衬底812进入所述结构的光的金属反射镜。在一示范性实施例中，衬底812由玻璃制成。在一个实施例中，下部电极810为吸收铬层。下部电极810具有安置于其上的钝化层814。在一个实施例中，钝化层814为薄电介质层。在一示范性实施例中，上部电极802具有安置于其上的钝化层。在一个实施例中，所述钝化层为薄电介质层。

图9为类似于图8的调制器800的模拟干涉式调制器900的另一示范性实施例。然而，调制器900具有安置于中间电极906上的较大加强层908，且进一步包括安置于上部电极902上的电阻性元件916。上部电极902具有安置于其上的加强层903。在一个示范性实施例中，上部电极902为金属且加强层903为电介质。调制器900还包括下部电极910，所述下部电极910具有安置于其上的薄介电钝化层914。下部电极910安置于衬底912上。电阻性元件916在上部电极902与中间电极906之间提供分离器。当中间电极906朝向上部电极902移动时，电阻性元件916防止中间电极906与上部电极902接触。在一个实施例中，中间电极906包括安置于中间电极906的底部部分上的绝缘层。

图10为具有控制电路1120的模拟干涉式调制器1100的示范性实施例。所述模拟干涉式调制器1100可为调制器800、调制器900、调制器1000或模拟干涉式调制器的其它类似设计中的任一者。调制器1100包括上部电极1102、中间电极1106及下部电极1110。调制器1100进一步包括使电极1102、1106及1110与其它结构绝缘的绝缘柱1104。

控制电路1120经配置以跨越上部电极1102及下部电极1110施加一电压。电荷泵1118经配置以选择性地施加电荷到中间电极1106。使用控制电压1120及电荷泵1118，实现中间电极1106的静电致动。电荷泵1118用以为中间电极1106充入一定剂量的电荷。带电的中间电极1106接着与由控制电路1120在上部电极1102与下部电极1110之间产 生的电场相互作用。带电的中间电极1106与所述电场的相互作用使中间电极1106在电极1102与1110之间移动。可通过使由控制电路1120所施加的电压变化而使中间电极1106移动到各个位置。举例来说，由控制电路1120所施加的正电压V_c使下部电极1110经驱动到相对于上部电极1102的正电位，此排斥带正电的中间电极1106。因此，正电压V_c使中间电极1106朝向上部电极1102移动。由控制电路1120施加负电压V_c使下部电极1110经驱动到相对于上部电极1102的负电位，此吸引带电的中间电极1106。因此，负电压V_c使中间电极1106朝向下部电极1110移动。中间电极1106可相应地移动到电极1102与1110之间的广泛范围的位置。

开关1122用以选择性地将中间电极1106连接到电荷泵1118或从电荷泵1118断开。应注意，除开关以外的在此项技术中已知的其它方法(例如，薄膜半导体、熔丝、反熔丝等)可用以选择性地将中间电极1106连接到电荷泵1118或从电荷泵1118断开。

开关1122可经配置以断开及闭合以传递特定电荷到中间电极1106。下文关于图13及图14描述选择电荷电平的方法。此外，开关1122可经配置以随着电荷从中间电极1106泄漏或耗散而随时间重新施加电荷。在一个示范性实施例中，根据一指定时间间隔将电荷重新施加到中间电极1106。

图11为图8的实施例的模拟干涉式调制器1200的示范性实施例。图11说明能够移动到上部电极1202与下部电极1210之间的各个位置1230到1236的中间电极1206。在一个实施例中，根据关于图10所描述的结构及方法来移动中间电极。

调制器1200经配置以视所述调制器的配置而选择性地反射光的某些波长。充当吸收层的下部电极1210与中间电极1206之间的距离改变调制器1200的干涉性质。举例来说，调制器1200经设计以在调制器的衬底1212侧上被检视。光通过衬底1212进入调制器1200。视中间电极1206的位置而定，光的不同波长通过衬底1212反射回，此提供不同颜色的外观。举例来说，在位置1230，光的红色波长被反射，而光的其它颜色被吸收。因此，干涉式调制器处于红色状态。当中间电极移动到位置1232时，调制器1200处于绿色状态且仅光的绿色波长被反射。当中间电极移动到位置1234时，调制器1200处于蓝色状态且仅光的蓝色波长被反射。当中间电极移动到位置1236时，调制器1200处于白色状态，且可见光谱中的光的所有波长被反射。应注意，一般所属领域的技术人员将认识到，调制器1200可呈现不同状态，且视用于调制器的构造中的材料及中间电极1206的位置而选择性地反射光的其它波长或光的波长的组合。

图12为经配置使得中间电极1306以线性比例响应跨越上部电极1302及下部电极1310所驱动的电压的模拟干涉式调制器1300的示范性实施例。因此，在用以控制中间 电极1306的移动的电压与电极1302与1310之间的中间电极1306的位置之间存在线性关系。在一理想系统中，由所驱动电压所诱发的电场可定义如下：

E＝V/(δ₁+δ₂)                                            (1)

其中：

E为归因于电压V的电场；

V为由控制电路1320所施加的电压；

δ₁为下部电极1310与中间电极1306之间的有效距离；且

δ₂为上部电极1302与中间电极1306之间的有效距离。

有效距离考虑两个电极之间的实际距离(即，d₁及d₂)与钝化层1314及1303的效应两者。钝化层起到增加有效距离的作用且计算为d_ε/ε，其中d_ε为钝化层的厚度且ε为钝化层的介电常数。因此，δ₁＝d₁+d_ε/ε且δ₂＝d₂+d_ε/ε。应注意，钝化层1303与1314可具有不同厚度及/或可由不同材料制成。

由中间电极1306上的所存储并隔离的电荷Q所诱发的电场由下列式给出：

E₂(x)＝Q/(ε₀*A)*(δ₁+x)/(δ₁+δ₂)                        (2)

E₁(x)＝-Q/(ε₀*A)*(δ₂-x)/(δ₁+δ₂)                       (3)

其中：

E₂＝在上部电极1302与中间电极1306之间所诱发的电场；

E₁＝在下部电极1310与中间电极1306之间所诱发的电场；

A＝电极的面积；

ε₀＝真空的电介质电容率；且

x＝中间电极1306相对于中间电极1306的平衡位置(在所述平衡位置处控制电路1320不施加电压)的位置。

归因于电场的在中间电极上的力接着由下式给出：

F_E＝Q²/(2ε₀A)*(δ₁-δ₂+2x)/(δ₁+δ₂)+QV/(δ₁+δ₂)        (4)

另外，如关于图8所述，中间电极806的侧面部分可施加弹性弹簧力F_S到中间电极。此机械恢复力由下式给出：

F_S＝-Kx                                                   (5)

其中：

K＝弹簧常数。

力平衡(F_E平衡F_S)由下式给出：

$\frac{Q^2}{2{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2+2x}{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}\right)+\frac{\mathrm{QV}}{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}=\mathrm{Kx}---\left(6\right)$

可接着将方程式(6)用作下式来求解中间电极1306的位置x：

$x=\frac{\frac{Q^2}{2{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}\right)+\frac{\mathrm{QV}}{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}}{K-\frac{Q^2}{{\mathrm{\δ}}_{0}A({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)}}---\left(7\right)$

根据方程式(7)，一理想系统中的中间电极1306的位置线性地视所施加的电压V而定。

还应注意，方程式(7)的分母的正负号指示所述结构是否稳定(即，中间电极1306是否将朝向最接近的外部电极紧压)。不稳定性出现于由所存储电荷自身所诱发的在中间电极1306上的静电力克服机械恢复力时。不稳定点为由以下方程式给出的阈值电荷Q_c：

$Q_c=\sqrt{K{\mathrm{\ϵ}}_{0}A({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)}---\left(8\right)$

如果中间电极1306并非完全电隔离，则中间电极1306上的所存储电荷Q可随其在电极1302与1310之间的位置而变化。此Q变化可影响中间电极1306对于电荷的响应。当中间电极1306并非完全电隔离时，存在从中间电极1306附接到上部电极1302与下部电极1310中的每一者的寄生电容1340及1342。调制器1300经配置以通过包括与中 间电极1306串联连接且与寄生电容1340、1342并联连接的电容器1344来说明寄生电容1340、1342。下文描述电容器1344在减轻寄生电容1340、1342以允许中间电极1306以与由控制电路1320所施加的电压成线性关系的方式移动时的效应。电容器1344箝位加载中间电极1306的总电容，且还阻断中间电极1306上的电荷的直接泄漏路径。

C₂为上部电极1302与中间电极1306之间的间隙的电容，且C₁为中间电极1306与下部电极1310之间的间隙的电容。

$C_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{{\mathrm{\δ}}_1+x}---\left(9\right)$

$C_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{{\mathrm{\δ}}_2-x}---\left(10\right)$

来自电压V的施加的期望的所存储电荷值Q₀由以下方程式给出：

$Q_0=\left(\frac{C_{S}V}{C_1+C_2+C_S}\right)(C_1+C_2)---\left(11\right)$

其中：

C_S＝电容器1344的值。

在将电荷Q₀置放于中间电极1306上之后，可计算在中间电极1306上跨越电极1302及1310的所施加偏置电压V的效应。随着中间电极1306的电压及位置而变的中间电极1306上的电压相依电荷Q_MV由以下方程式给出：

$Q_{\mathrm{MV}}=\frac{C_S(C_{P1}{C}_2-C_{P2}{C}_1)V}{(C_1+C_2)(C_S+C_{P1}+C_{P2})+C_S(C_{P1}+C_{P2})}---\left(12\right)$

其中：

C_P1＝寄生电容1342的值；且

C_P2＝寄生电容1340的值。

在C_P1＝C_P2＝C_P＞＞C_S的状况下，电压相依电荷Q_MV简化为：

$Q_{\mathrm{MV}}=\frac{C_S(C_2-C_1)V}{2(C_1+C_2+C_S)}---\left(13\right)$

不等式成立于C_S的值经选择以降低加载中间电极1306的整体电容的情形下。然而，如果寄生电容1340、1342中存在不平衡(即，C_P1＝C_P、C_P2＝C_P+δC_P)，则中间电极1306上的所诱发电荷由以下方程式给出：

$Q_{\mathrm{MV}}=\frac{C_S(C_2-C_1+\frac{\mathrm{\δ}{C}_P{C}_2}{C_P})}{2(C_1+C_2+C_S)}---\left(14\right)$

然而，可应用补偿值以使寄生电容1340与1342近似相等。

通过组合原始存储电荷Q₀与所诱发电荷Q_MV，中间电极上的实际电荷Q_M可确定为Q_M＝Q₀+Q_MV。只要电容器1344经选择以使得方程式(13)成立(即，C_P1＝C_P2＝C_P＞＞C_S)，即可用Q_M替代方程式(7)的Q来给出中间电极1306的位置。因此，适当电容器1344将促使中间电极1306以对于由控制电路1320所施加的电压的近似线性响应的方式作出响应。在一个示范性实施例中，电容器1344的电容近似为1fF。在另一示范性实施例中，电容器1344的电容近似为10fF。

调制器1300的设计还在中间电极1306与下部电极1310之间的间隙接近于0时限制相关联的电场的值。对利用3个电极的干涉式调制器的电场E_lower的限制表达由以下方程式给出： 

E_lower＝V/(δ₁+δ₂)-Q/(ε₀A)                              (15)

其为归因于存储于中间电极1306上的电荷的电场与由控制电路1320所施加的电场的总和。

图13说明借以校准图12的模拟干涉式调制器1300的过程1400。所述校准过程配置调制器1300，使得中间电极1306将在施加特定电压时移动到上部电极1302与下部电极1310之间的已知位置。下文参看图14描述过程1400，所述图说明在校准过程1400的各个状态下的干涉式调制器1300。

当被制造时，任何两个给定模拟干涉式调制器的结构可具有变化。在两个类似模拟干涉式调制器的物理性质中的一些中可能存在轻微变化。举例来说，弹簧常数K、层的 精确尺寸及层的间距均可不同。变化可归因于过程变化、温度及老化而发生。在此状况下，使用方程式(7)来准确计算中间电极1306的位置x将需要所有这些变量的知识。此外，如果任何变量在任何给定的模拟干涉式调制器之间不同，则每一调制器的中间电极1306的位置x可在施加一已知电压且一已知电荷存储于中间电极1306上时不同。图13及图14说明校准例如图12的实施例的模拟干涉式调制器的模拟干涉式调制器，使得在无需先前论述的变量的精确知识的情况下知晓在由控制电路1320所施加的任何给定电压下的中间电极1306的近似位置的过程。

在步骤1404处，闭合开关1522以接地且通过控制电路1520施加校准电位V_cal，如图14a中所示。在下一步骤1408处，在中间电极1506上诱发一净负电荷。在一个示范性实施例中，如关于图10所示的电荷泵1118在开关1522闭合的同时在中间电极1506上诱发所述负电荷。随着所述电荷沉积于中间电极1506上，带电电极1506与由所施加校准电位所产生的电场相互作用且朝向上部电极1502移动，如图14b中所示。由静电吸引产生的力与所施加电场的平方成比例，所述电场随着上部电极1502与中间电极1506之间的距离减小且随着中间电极1506上的电荷增加而增加。在某一电荷及距离下，电场的力超过中间电极1506上的弹性弹簧力F_S。此时，中间电极1506朝向上部电极1502“紧压”。中间电极1506接着与电阻性元件或柱1516接触，如图14c中所示。当进行接触时，上部电极1502与中间电极1506之间的电位差下降到源电阻1548与柱1516的电阻之间的电阻分压。电位按指数规律下降。随着电位下降，机械恢复力或弹性弹簧力变得大于中间电极1506上的静电力。中间电极1506接着移动远离电阻性柱，且上部电极1502与中间电极1506之间的电位差开始上升回到由控制电路1120在上部电极1502与下部电极1510之间所施加的电位。此情形产生振荡行为。在另一步骤1412处，确定中间电极1506是否正展现振荡行为。如果确定中间电极1506并非正展现振荡行为，则过程1400返回到步骤1408且电荷继续诱发于中间电极1506上。在步骤1412处，当确定中间电极1506正展现振荡行为时，过程1400继续到步骤1416。可使用此项技术中已知的方法来感测振荡行为。在步骤1416处，断开开关1522以电隔离中间电极1506并在中间电极1506上维持一平衡电荷Q_e。当开关1522断开时，中间电极1506将保持于距电阻性柱1516一小距离d_g处。在一示范性实施例中，距离d_g远小于上部电极1502与中间电极1506之间的距离d₂。因此，当中间电极1506持有电荷Q_e且V_cal由控制电路1120施加时，x≈d₂且中间电极1506将朝向上部电极1502移动一近似为d₂的距离。当控制电路1120未施加电位时，x＝0且中间电极将保持于上部电极1502与底部电极1510之间的一非移动位置。如由以上的方程式(7)所指示，中间电极1506的移动与所施加 电压成线性关系，且因此，如合理所属领域的技术人员将认识到，可使用与所施加电压有关的中间电极的位置x的两组值(例如，(0，0)及(d₂，V_cal))来确定中间电极1506的位置x的方程式。

除感测振荡外，还存在用于确定何时在步骤1412处断开开关1522以获得平衡电荷Q_e的其它变化。在校准过程的一个实施例中，当中间电极1506与电阻性柱1516进行接触时，断开开关1522。随着电荷排出，中间板将与电阻性柱1516分离并持有平衡电荷。在另一实施例中，当中间电极1506获取充足电荷以紧压于电阻性柱1516时但在中间电极1506与电阻性柱1516进行接触之前，断开开关1522。可在校准过程的先前执行期间计算或确立获取充足电荷所必要的持续时间。

应注意，中间电极1506上的电荷最终可能排出并需要周期性地再充电。可重复过程1400以便对中间电极1506再充电。在一个实施例中，再充电过程也可经修改，使得开关1522仅闭合足以在中间电极1506上诱发大于Q_e的电荷的时间。过量电荷将接着通过电阻性柱1516而排到适当Q_e。在一个实施例中，可针对设定间隔(例如，在一设定时间间隔之后)调度再充电过程。在另一实施例中，可在中间电极1506上的电荷达到一阈值以下时对电荷进行监视并对调制器再充电。

还应注意，在一个实施例中，干涉式调制器1500包括在中间电极1506的底部的一额外层，所述层可防止中间电极1506在其与下部电极1510接触的情况下放电。在一个实施例中，所述额外层是薄绝缘体。

尽管在如包括某些步骤的实施方式中且以特定次序描述以上过程1400，但应认识到，这些过程可包括额外步骤或可省略所述步骤中的一些步骤。此外，所述过程的步骤中的每一者并非必须以其被描述的次序来执行。

尽管以上实施方式已展示、描述并指出本发明的如应用于各种实施例的新颖特征，但应理解，所属领域的技术人员可在不脱离本发明的精神的情况下对所说明的调制器或过程的形式及细节进行各种省略、替代及改变。如将认识到，本发明可在并未提供本文中所阐述的所有特征及益处的形式内体现，因为一些特征可与其它特征分离地使用或实践。

Claims (26)

1.一种用于调制光的装置，其包含：

第一层(1102)；

第二层(1110)，其中所述第一层与所述第二层之间存在间隙，且所述第一层与所述第二层相对于彼此为固定的；

第三层(1106)，其安置于所述第一层与所述第二层之间的所述间隙中；

控制电路(1120)，其经配置以通过跨越所述第一层和所述第二层施加偏置电压而在所述第一层与所述第二层之间选择性地诱发电场；及

电荷泵(1118)，其经配置以将固定电荷施加到所述第三层；

其中在施加所述固定电荷之后所述第三层为电隔离的，且

其中所述控制电路经配置以通过改变所述偏置电压而致使所述第三层在所述间隙内移动，其中所述第三层的移动是基于所述电场与施加到所述第三层的所述固定电荷之间的静电力和作用在所述第三层上的机械恢复力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个电阻性元件(916)安置于所述第一层的底部上。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其进一步包含用于电隔离所述第三层的开关(1122)。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其进一步包含用于电隔离所述第三层的薄膜半导体。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其进一步包含用于电隔离所述第三层的MEMS开关(1122)。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第三层包含光学反射镜。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二层包含薄的光学吸收器。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述控制电路经配置以在所述装置处于校准模式下时施加第一电压作为所述偏置电压。

9.根据权利要求8所述的装置，其中在施加所述第一电压之后，所述静电力近似等于所述机械恢复力。

10.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制电路经配置以在所述装置处于校准模式下时施加第一电压作为所述偏置电压，其中所述第三层在施加所述第一电压之后与所述第一层的所述电阻性元件接触。

11.根据权利要求1、2或10所述的装置，其中所述第三层经配置而以与所述偏置电压成线性比例的方式移动。

12.一种校准模拟干涉式调制器的方法，其包含：

提供第一电极(1102)及第二电极(1110)，其中所述第一电极与所述第二电极之间存在间隙；

跨越所述第一电极及所述第二电极施加偏置电压以在所述第一电极与所述第二电极之间诱发电场；

在第三电极(1106)上诱发固定电荷，其中在施加所述固定电荷之后所述第三电极为电隔离的；及

通过改变所述偏置电压而致使所述第三电极在所述间隙内移动，其中所述第三电极的移动是基于所述电场与施加到所述第三电极的所述固定电荷之间的静电力和作用在所述第三电极上的机械恢复力。

13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含确定固定电荷量，其包含：

提供安置于所述第一电极上的至少一个电阻性元件；

将校准电压作为所述偏置电压施加到所述第一电极及所述第二电极；及

调整所述第三电极上的所述固定电荷，使得由所述校准电压所诱发的电场致使所述第三电极与所述第一电极的所述至少一个电阻性元件接触。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其进一步包含调整所述第三电极上的所述固定电荷，使得所述静电力约等于所述机械恢复力。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述诱发包含诱发所述第三电极上的所述固定电荷，使得所述第三电极的位移以与所述偏置电压成线性比例的方式作出响应。

16.一种用于调制光的装置，其包含：

第一传导构件(1102)，其用于传导电流；

第二传导构件(1110)，其用于传导电流，其中所述第一传导构件与所述第二传导构件之间存在间隙；

用于跨越所述第一传导构件及所述第二传导构件施加偏置电压以在所述第一传导构件与所述第二传导构件之间诱发电场的施加构件(1120)；及

用于诱发用于传导电流的第三传导构件(1106)上的固定电荷的诱发构件(1118)，

其中在施加所述固定电荷之后所述第三传导构件为电隔离的，且

其中所述施加构件经配置以通过改变所述偏置电压而致使所述第三传导构件在所述间隙内移动，其中所述第三传导构件的移动是基于所述电场与施加到所述第三传导构件的所述固定电荷之间的静电力和作用在所述第三传导构件上的机械恢复力。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述施加构件包含控制电路。

18.根据权利要求16或17所述的装置，其中所述诱发构件包含电荷泵。

19.根据权利要求16或17所述的装置，其进一步包含用于电隔离所述第三传导构件的构件(1122)。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述用于电隔离的构件包含开关。

21.根据权利要求19所述的装置，其中所述用于电隔离的构件包含薄膜半导体。

22.根据权利要求16或17所述的装置，其中绝缘层安置于所述第二传导构件的顶部上。

23.根据权利要求16或17所述的装置，其中加强层(908)安置于所述第三传导构件上。

24.根据权利要求16或17所述的装置，其中电容器(1344)与所述第三传导构件连通。

25.根据权利要求16或17所述的装置，其中所述第一传导构件包含电极，所述第二传导构件包含电极，且所述第三传导构件包含电极。

26.根据权利要求16或17所述的装置，其中所述诱发构件经进一步配置以诱发所述第三传导构件上的所述电荷，使得所述第三传导构件的移动与所述偏置电压成线性比例。