CN103026294A - 显示像素、显示器以及操作显示像素的方法 - Google Patents

Abstract

电流体和电润湿显示像素、电流体和电润湿显示器以及操作电流体和电润湿显示像素的方法。所述像素包括形成在第一与第二基底之间并且包含了极性流体和非极性流体的疏水通道，其中极性流体和非极性流体中的至少一个通过至少一个基底可看到。具有电介质的电极电耦合到电压源。拉普拉斯阻挡体限定出用于流体在通道中的移动的流体通路。当电压源以小于或等于阈值电压的第一电压偏置时，极性流体移动到第一位置，以提供第一显示状态。当电压源以大于第一电压的第二电压偏置时，极性流体移动到第二位置，以提供第二显示状态。

Description

显示像素、显示器以及操作显示像素的方法

关于联邦资助的研究或开发的声明

美国政府对本发明具有付费许可，并且在有限环境中具有要求专利所有者基于合理的条件向其他人提供许可的权利，其中所述合理的条件是依照国家科学基金会授予的许可0729250以及国家科学基金会授予的许可0640964中的条款规定的。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2009年8月14日提交的美国临时申请61/234,070、2009年8月14日提交的美国临时申请61/234,099、2010年2月24日提交的美国临时申请61/307,637以及2010年2月25日提交的美国临时申请61/308,105的权益。本申请涉及题为“ELECTROWETTING ANDELECTROFLUIDIC DEVICES WITH LAPLACE BARRIERS ANDRELATED METHODS”且与本申请同一天提交的国际专利申请（律师案卷号UOC-218WO）。这其中的每一个申请公开在这里都被引入作为参考。

背景技术

本发明涉及电流体（electrofluidic）和电润湿显示像素、电流体和电润湿显示器以及操作电流体和电润湿显示像素的方法。

对很多光学应用来说，电润湿是很有吸引力的调制方案。例如，电润湿已经用于为光纤、相机或制导系统的光闸或滤光器、光学拾取设备、光波导材料以及视频显示像素提供光开关。此外，电润湿还主要以数字液滴驱动流的形式应用于芯片实验室设备。

尽管存在大量商业应用以及很多正在进行研究，但是几乎所有基于电润湿的常规设备都需要恒定地施加电压，以便将极性流体保持在特定几何形状。这些设备并不是“双稳态的”，也就是说，在去除电压时，流体会沿着所有不受限制的流体表面自由返回到球面几何形状。

所需要的是与彩色极性流体的几何形状的更先进控制以及用于显示应用的流相适应的先进的电润湿或电流体显示技术。

发明内容

根据本发明的一个说明性实施例，显示像素包括极性流体和非极性流体。该极性流体和非极性流体占据形成在第一与第二基底之间的疏水通道。极性流体和非极性流体中的至少一个通过第一和第二基底中的至少一个可看到。具有将电极与流体分离的电介质层的电极电连接到电压源。所述电极及电介质层的设置可以使第一极性流体在疏水通道内前进或移动。疏水通道内的拉普拉斯阻挡体（Laplace barrier）限定出对极性流体的前进开放的流体通路。通过以小于或等于阈值电压的第一电压偏置电压源，极性流体移动至疏水通道内的第一位置。所述第一位置提供第一显示状态。然后，在以大于第一电压的第二电压偏置电压源时，极性流体移动到疏水通道内的第二位置。所述第二位置提供与第一显示状态显著不同的第二显示状态。

在以第一电压偏置电极时，拉普拉斯阻挡体可以将极性流体限制在第一位置。所述拉普拉斯阻挡体依靠拉普拉斯压力操作。

在另一个实施例中，提供一种制造显示像素的方法。该方法包括：通过光刻在第一基底上的光刻胶层中图案化分隔器层。在所述分隔器层与第一基底上层叠分离层，其中分离层是干膜光刻胶。该方法还包括：通过光刻图案化分离层，以形成储液器以及与该储液器耦合的流体通孔（via）。第二基底被定位在第一基底的分离层上，以在分离层与第二基底之间形成疏水通道。

在另一个实施例中，提供一种操作显示像素的方法。该方法包括在电流体像素内将极性流体移动至第一位置，以及在电流体像素内使非极性流体产生位移，以提供第一显示状态。该方法还包括在电流体像素内将极性流体从第一位置移动至第二位置，以及在电流体像素内使非极性流体产生位移，以提供第二显示状态。极性流体被拉普拉斯阻挡体限制在第一位置，以保持第一显示状态。

本发明的实施例提供一种适应于更先进地控制彩色极性流体的几何形状以及用于显示应用的流动的先进的电润湿或电流体显示技术。这种改进的控制和流动显著改善了显示性能。

附图说明

在这里引入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且其连同上文给出的关于本发明的一般描述以及下文给出的细节描述一起用于说明本发明的原理。

图1A是依照本发明一个实施例的设备的剖面示意图。

图1B是图1A所示的设备的一部分的透视图。

图1C是图1A所示的设备的顶视图。

图1D是包含第二极性流体的图1的设备的替换实施例的顶视图。

图1E是包含两个极性流体的常规设备的顶视图。

图2A是根据本发明一个实施例的与图1A相似的设备的剖面示意图，但是该图针对的是施加推进第一极性流体的电压。

图2B是图2A所示的设备的一部分的透视图。

图2C是图2A所示的设备的顶视图。

图3A是与图2A相似的设备的剖面示意图，但是该图针对的是施加进一步推进流体的第二电压。

图3B是图3A所示的设备的一部分的透视图。

图3C是图3A所示的设备的顶视图。

图4A、4C和4E是根据本发明另一个实施例的设备的剖面示意图。

图4B、4D和4F分别是图4A、4C和4E所示的设备的顶视图。

图5A-5D是根据本发明附加实施例的设备的示意图。

图6A-6D是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的剖面示意图。

图7A是根据本发明另一个实施例的具有无源矩阵电极的设备的剖面示意图。

图7B是图7A所示设备的顶视图。

图8A是根据本发明另一个实施例的具有有源矩阵电极的设备的剖面示意图。

图8B是图8A所示设备的顶视图。

图9是根据本发明另一个实施例的设备的顶视图。

图10A、11A和12A是根据本发明不同实施例的设备的剖面示意图。

图10B、11B和12B分别是图10A、11A和12A所示设备的顶视图。

图13A和13C是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的剖面示意图。

图13B和13D分别是图13A和13C所示设备的顶视图。

图14A、15A和16A是根据本发明另一个实施例的四色设备的顶视图。

图14B、15B和16B分别是图14A、15A和16A所示设备的一部分的放大顶视图。

图17A、17C、17E、17G和17I是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的剖面示意图。

图17B、17D、17F、17H和17J分别是图17A、17C、17E、17G和17I所示设备的顶视图。

图18A和18C是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的剖面示意图。

图18B和18D是图18A和18C所示设备的顶视图。

图19A和19B是根据本发明的使用多个彩色流体以及双原色系统的设备的两个实施例的顶视图。

图20是将常规显示设备的光学性能与本发明的一个或多个实施例相比较的表格和图表。

图21A-23D是本发明的一个或多个实施例的不同示例中的扫描电子显微镜以及光学显微镜图像。

具体实施方式

虽然本发明是结合某些实施例而被描述的，但是关于这些实施例的描述旨在覆盖可能包含在本发明原理内的所有替换、修改及等价布置。特别地，本领域技术人员将会认识到，这里描述的各种电流体设备的组件可以用多种不同的方式设置。

作用于与电绝缘的电极相邻的导电极性流体的电动机械力（electromechanical force）是本发明至少一个实施例的物理机制的基础。所述电动机械力来自导电极性流体与将该电极绝缘的电介质之间的接触线路（line）附近。该电动机械力成比例于电容与偏置电势或所施加电压的平方的乘积。该电动机械力通常取向为它从极性流体的暴露表面朝向外部被引导。在将极性流体限制在空腔或通道内时，所述电动机械力还可以被解释为单位面积上的力或压力。该设置提供了高速操作（大约毫秒级），低功率的电容式操作（大约10mJ/m²）以及优良的可逆性。然而，本发明的替换实施例包括微流体领域中普通技术人员公知的其他流体操控方法。这些替换方法包括但不限于没有绝缘体的电润湿、注射泵、热毛细、诸如螺砒喃的光响应分子、介电泳、电泳以及微电机泵取。关于这里描述的拉普拉斯阻挡体的不同实施例将很好地与流体操纵和传输的替换机制一起工作。在一些实施例中，拉普拉斯阻挡体可被称为局部流体阻挡体或多孔流体阻挡体。

笛卡尔坐标系统将用于定义特定方向和取向。对于“之上”、“上部”、“之下”以及“下部”之类的术语来说，所提及的这些术语仅是为了便于描述，并且仅代表用于描述特定实施例的一个可能的参照系。基于应用，这里描述的设备的维度覆盖了从纳米到米的大范围的尺寸。在一些范例中，其中使用诸如可视的术语来描述面朝这里描述的实施例的上表面的人类或机器视觉系统或其他光源或检测器。若干图示将会包含“侧视图”和“顶视图”，其中“顶视图”是与基底表面垂直的方向，并且通常是基底的可视表面，在一些范例中是在设备观看者或观察者的方向。这些顶视图可以是局部设备剖面，以便只显示特定特征子集的设置，而不应总是将其认为是设备特征的实际顶视图外观。

这里描述的颜色系统和设备同样可用于反射式、透射式以及透射反射式显示器。因此，光可以通过设备的上表面、下表面或这两个表面来透射或反射。设备可以同时以透射/反射的双模模式操作，或者按照需要而在这样的操作模式之间切换。常规显示器中使用的背光或其他光源同样完全兼容这里描述的设备，并且包含在本发明的原理内。

光既可以由位于设备外部的源来提供，例如背光或前光、波导或其他前光，也可以由波导或其他光学设备来提供，还可以由周围环境，例如阳光或常规灯具来提供。任何耦合光源的手段都是适用的，包括显示领域的技术人员已知的所有技术。

在这里使用术语“流体”来描述物理状态既不是固体也不是等离子体的任何材料或材料组合。只要气体根据本发明的原理自由运动，那么该气体也可以被认为是流体。对于诸如流体粉末之类的固体材料来说，如果该固体材料根据本发明的原理自由运动，那么也可以将其认为是流体。术语流体并不局限于任何特定组成、粘度或表面张力。只要固体材料是稳定散布在流体中，那么所述流体还可以包括任何重量百分比的固体材料。流体还可以包含多种流体、分散剂、树脂、杀菌剂以及在具有苛刻的光学、温度、电子、污染或其他性能规范的商业流体中使用的其他添加剂的混合物。

极性流体的示例包括水、丙二醇以及乙二醇。非极性流体的示例包括烯烃和硅油。气体的示例包括氩、二氧化碳以及氮。如果使用包含不同固体微粒或溶解组分的一种以上的流体，那么如果微粒或组分保持分离，则该流体优选是具有极性的。

非极性流体通常会渗透小缺陷或者位于非极性几何结构上。因此，随着非极性流体在公共设备区域上的重复运动会发生混合。在一些情况中，极性流体绝不会接触固体表面。例如在非极性流体在极性流体与固体表面之间形成薄膜的情况中。

这里描述的固体材料用于多个目的。

在很多情况中，色素（pigment）和染料（dye）是可以分散或溶解在流体中以改变流体的至少一个光学或频谱属性的固体颗粒。

基底可以是玻璃、塑料、金属箔、纸张、或是多种支持这里描述的设备构造的其他材料。

分隔器（spacer）可以用与构造基底中使用的固体材料相类似的固体材料来制造。在一些情况中，分隔器可以是基底本身的一部分，例如通过蚀刻、激光处理、微复制或其他技术来形成这样的分隔器。还可以由光固化的环氧树脂或光刻胶，例如MICROCHEM SU-8或DUPONT Per-MX来形成分隔器。

只要电极材料提供适当的电传导性，那么电极可以由诸如In₂O₃:SnO₂或PEDOT:PSS之类的透明固体材料构造，或者可以由诸如铝之类的反射性固体材料构造，或者还可以由诸如炭黑之类的有色固体材料制成。电压源可以是来自电源或是诸如薄膜晶体管之类的本地产生的电压或电流源的直流电压源。显示和微流体领域的技术人员所知道的众多直流、交流或其他类型的电压源同样是适用的。

电介质可以包括任何提供适当电绝缘的固体材料，并且举例来说，所述材料可以是诸如氮化硅（SiN）之类的无机物，诸如聚氯代对二甲苯之类的有机物，或是派瑞林F之类的氟化物，上述各项的混合物、分层及组合。电介质厚度的范围可以是从10nm到10μm，由此分别导致产生1V与120V之间的电压。固体表面或膜可以本质上是疏水的，或者例如通过添加薄膜或涂层，通过等离子处理，通过分子单层处理或是其他手段来配备疏水性规则。诸如CYTONIX氟化聚合物和ASAHI氟树脂之类的含氟聚合物提供了示例的疏水性。如果使用具有与固体材料相似的表面张力的非极性流体来替换气体，那么对于诸如气体中的水之类的极性流体而言不具有疏水性的附加固体材料仍有可能是疏水的。

通常，在这里使用术语“疏水”来描述大于90°的杨氏（Young’s）润湿角，并且在这里使用术语“亲水”来描述小于90°的杨氏润湿角。然而，在某些设备或材料配置中，疏水或亲水功能可以扩展到这些限制之外。超级疏水涂层是对于气体中的极性流体呈现出大杨氏角的涂层，并且通过对表面进行几何纹理化来实现。

电压源可以是来自电源或是诸如薄膜晶体管之类的本地产生的电压或电流源的直流电压源。显示和微流体领域的技术人员所知道的众多直流、交流或其他类型的电压源同样是适用的。电压源可以根据需要而被偏置0V、正DC电压、负DC电压或是AC电压等。

反射器材料可以包括金属膜、具有多层电介质且具有不同折射率的层、填充颗粒的聚合物或流体，其中所述颗粒的折射率不同于聚合物或流体、一维或多维光子晶体，或是光学和显示领域的技术人员已知的其他反射器。

散射介质包括：具有散布在其中的颗粒的聚合物或流体，其中所述颗粒的折射率不同于所述聚合物或流体，以及结构化的聚合物或金属，微复制的光学设备，或是光学和显示领域的技术人员已知的其他散射特征物。

黑矩阵和滤色器是在反射或透射模式中吸收部分或全部光谱的任何固体或流体材料。

除非另外指出，否则术语凹面和凸面都是指与沿着流体的暴露弯液面的最小曲率半径相关联的几何形状。应该理解的是，弯液面上的其他较大的曲率半径可以是反向凹入的或凸起的，但是其对弯液面的拉普拉斯压力只有较弱的影响。在图中通常并未示出这些附加半径，但是依照其对设备设计和操作的较弱的影响，这些附加半径是很容易理解的。

术语通道或疏水通道被用于描述流体的物理限制，其中所述通道的水平维度要大于其垂直维度，并且在本发明的一些实施例中，所述通道将提供可视地显示流体的手段。通道通常由所制造的图案化基底所特有的一个或多个壁来限定或限制。

术语储液器可以是形成为设备的一部分，或是处于设备的外部的任何特征物，包括可以在液体准备好移入或移出设备之前存储或保持流体的任何特征物。储液器还可以是与附加的设备、腔室或通道相连，或不相连的简单入口/出口或通孔。

术语导管将用于描述为流体流动提供通路的特征物，并且与储液器相似，所述导管可以集成在设备内，或者在一些情况中也可以处于设备外部。

流体可以使用若干方法之一加入到本发明的设备中。极性流体可以用非极性流体来乳化，然后完成设备之后在物理上、化学上或光学上将其彼此分离。极性流体可以真空地加入到储液器中、添加非极性流体以及密封设备。非极性流体可以加入储液器、添加极性流体以及密封设备。通过在极性流体与电极之间施加电压，可以将极性流体电润湿到某个区域。关于加入组合的众多替换和组合包含在本发明的原理内。

以上描述提供用于本发明实施例的材料和组件的示例；然而，任一特定实施例的描述意图覆盖光学、显示、微流体、电润湿、电流体、微复制、电子及相关学科领域的技术人员已知的所有替换材料、组件和设置。

现在参考图1A-1D并根据本发明的实施例，示出的电流体设备10包括底部或第一基底12以及处于第一基底上的第一电极14，顶部或第二基底16以及处于第二基底16上的电极18。电极14、18进一步涂有电介质20。电介质20的表面借助疏水涂层22而具有疏水性。极性流体24和非极性流体26处于由两个基底12、16或是在其上制造的层的壁29a、29b所限制的通道28内。电压源30与两个电极14、18电耦合。

借助电极14、18，电压源30被电绝缘并且与极性流体24电容耦合。如电润湿领域的技术人员所知的，替换的导电和绝缘电极设置同样是可行的。在施加了恰当电压时，极性流体24的接触角将从杨氏角（θ_Y）减小到电润湿接触角（θ_V）。该接触角减小归因于由电压施加电润湿效应所产生的电动机械力。

图1A-1C的图示并未示出将在以下结合图4示出和描述的完整设备结构。相反，图1A-1C的目的仅仅是一般描述控制拉普拉斯阻挡体的基本物理原理。作为第一近似，电润湿效应可以根据下式来预测：

cosθ_V=(γ_od-γ_pd)/γ_po+CV²/2γ_po

其中C是电介质20的单位面积上的电容；γ是极性流体24（p）、非极性流体26（o）以及电介质20（d）之间的面间表面张力；以及V是所施加的DC电压或是电压源30施加的AC RMS电压。θ_Y的余弦通过(γ_od-γ_pd)/γ_po预测。当非极性流体26是油时，诸如水或乙二醇之类的极性流体24可以显现出θ_Y>160°。θ_V可以小至30°到60°。除了微观变化之外，杨氏角在电润湿过程中是不变的。在这里为了图示简单起见，θ_V是在没有此类考虑的情况下绘制的。

进一步参考图1A，示出大的杨氏角，并且由此极性流体24的凸面弯液面是明显的。该凸面弯液面具有导致产生依照下式的拉普拉斯压力的曲率半径：

Δp=γ_po(1/R₁+1/R₂)

其包括极性流体24（R₁，R₂）的弯液面的原理曲率半径。

电流体设备10包括常规设备结构不可能具有的功能。特别地，电流体设备10包括在这里图示为一个或多个具有疏水涂层的分隔器32的拉普拉斯阻挡体，这在分隔器32的两侧或之间创建两个或更多的通路34。通路34总体定义了极性流体24在通道28内前进的流体路径。在下文详细说明的恰当操作条件下，极性流体24可以像不存在分隔器32一样流经通道28以及分隔器32，即，好像作用于极性流体24的唯一力是由于通道配置造成的一样。

在图1A-1C中，未从电压源30施加电压，并且极性流体24具有小且凸起的垂直曲率半径36。结果，极性流体24将会遭遇到不允许其向前运动或是使其从所显示的电流体设备10的部分退回的净压力38。

图1D示出了电流体设备10-1的另一个替换物，其与图1A的设备相似，但是还包括第二极性流体40。可以看出，与分隔器32毗邻的第一和第二极性流体24、40可以紧密邻接而不整合。相应地，与缺少拉普拉斯阻挡体的常规设备10-2（图1E）相比，设备10-1可以提供增加的表面面积覆盖。

如图2A-2C所示，电压源30向第一和第二电极14、18提供足以将垂直的曲率半径36反转成凹进的第一电压（+V），其中所述第一电压小于阈值电压。这将使极性流体24在通道28中朝着分隔器32前进（由表示在极性流体24上导致产生电动机械压力的电荷的“+”和“-”标记指示）。然而，当极性流体24到达该行分隔器32时，通过在极性流体24的弯液面上给予第二和水平曲率半径42，这些分隔器32将用作多孔流体阻挡体（即拉普拉斯阻挡体）。由此，极性流体24会在零净压力下均衡，其中所述零净压力是图2A-2C中曲率半径36和42相等的点。这种情况是曲率半径36和42的一个局部示例，并且在本发明的替换实施例中，其他阈值也是可以实现的。虽然没有显示，但是可以预想的是，如果极性流体24尝试进一步向前移动，那么水平曲率半径42将减小，这对图1A-3C中呈现的设备10来说是非常不利的。

接下来，如图3A-3C所示，电压源30可以提供第二电压（+V2），其中所述第二电压大于阈值电压，并且将垂直曲率半径36减小至极性流体24将在具有净压力38而不考虑水平曲率半径42的情况下向前移动的点。换句话说，当电压源30提供超出阈值电压的第二电压电平（+V2）时，极性流体24不受分隔器32限制，并且前进到分隔器32之外的第二位置。在缺少诸如拉力和润湿滞后之类的因素的情况下，极性流体24的这种前向移动的阈值理论上是垂直曲率半径36小于分隔器32之间的距离的一半或是通路34的一半宽度的点，这其中包括拉普拉斯阻挡体。一旦极性流体24超出拉普拉斯阻挡体，那么它会表现出几乎没有阻力或阻碍。例如，分隔器32的高度和直径可以是5μm，并且相邻的分隔器之间可以间隔50μm。结果，通过流体通路34和分隔器32获取的大约90%的剖面面积可用于流体流动。

这种流动容易性是相对于诸如局部阻挡体、电容毛细管阻挡体或其他微流体限制之类的常规技术的主要优点。此外，本发明的实施例提供了一种独特的方法，这是因为一旦极性流体24的前进边缘超越拉普拉斯阻挡体（在这里是分隔器32），那么极性流体24将快速地重新获得与处于拉普拉斯阻挡体之前的第一位置的极性流体24内的拉普拉斯压力相似的拉普拉斯压力。结果，通过使用第一电压，极性流体24能够继续流经拉普拉斯阻挡体，并且其容易度与通道28中没有阻挡体的情况相似。此外，在不需要施加电压的情况下，极性流体24可以作为处于多个位置的单个容量驻留在拉普拉斯阻挡体的两侧。

现在参考图4A-4F并且根据本发明的实施例，在这里描述的电流体设备50可以提供两个或更多的流体定位位置。电流体设备50包括第一和第二基底12、16。如所示，第一基底12包括三个分离且不同的电极132、134、136以及一个分裂电极138，并且在下文中将会对此进行更详细的描述。电介质140覆盖电极132、134、136、138，并且疏水层142覆盖电介质140。第二基底16包括具有疏水层142的上部电极144。在通道28内包含多个围绕电极132、134、136、138、144的周边的分隔器32，并且这些分隔器可以采用先前参考图3A所示的方式来构造。如所示，与围绕周边的这些分隔器32相比，一些分隔器145可以具有不同的形状。

图4A的说明性实施例能够提供两个或更多的用于流体定位的位置。如图4A和4B所示，四个电压源146、148、150、152分别提供上部电极144与第一、第二、第三和分裂电极132、134、136、138中的每一个之间的电压。上部电极144与极性流体24是导通的。结果，极性流体24部分覆盖第一、第二、第三和上部电极132、134、136、144。

如所示，不同于常规设备，在从一个显示状态运动到另一个显示状态时，极性流体24包围分隔器32的所有暴露表面。换句话说，分隔器32被极性流体24围绕或包围。

参考图4C和4D，电流体设备50被显示成去除了来自与分裂电极138相关联的第四电压源152的电压。在从分裂电极138去除电压时，分裂电极138之上的通道28中的极性流体24的弯液面的垂直曲率半径（未显示）将变得小且凸起，这将导致极性流体24从分裂电极138上方的通道28中去润湿。这使极性流体24分成两个容量：一个容量的极性流体24a占用的是第一电极132上方的通道28，并且一个容量的极性流体24b占用的是第二电极134上方的通道28，其中第一和第二电压源146、148仍旧向第一和第二电极132、134供应电压。如果随后从第一和第二电极132、134去除来自第一和第二电压源46、148的电压，那么由于围绕电极132、134、136、138、144的周边的分隔器32的影响，极性流体的容量24a、24b仍旧驻留在图4C和4D显示的位置。

接下来，如图4E和4F所示，通过从第四电压源150施加电压，容量24b（图4C）从第二电极134上方移动到第三电极136上方。当电压被去除时，容量24b由分隔器32而被稳定。

若干个其他的替换实施例也是可行的，但是在这里并未显示这些实施例。例如，两个容量24a、24b可以稳定在第二和第三电极134、136上，其中任一容量都不会彼此接触或混合。通过形成较宽拉普拉斯阻挡体的较大分隔器145来增强避免液体混合、合并或接触。图4A-4F所示的特定实施例提供这两个容量24a、24b的优异的接近定位。例如，如果将六边形形状的液体紧挨着彼此封装，那么不能以极性流体24填充的水平空间将包含六个六边形亚三角中的两个或是六边形区域的30%。正方形的封装密度可以更高，并且与最常用的电极格式更加兼容。通过这里描述的拉普拉斯阻挡体的不同实施例实现了这种将两个正方形形状的液体紧挨着彼此封装而且还允许极性流体24从一个正方形前进至另一个正方形的能力，并且这种能力消除了对于极性流体的圆形或六边形容纳的需求。

此外，在另一个替换设置中，以图4C和4D所示的情况开始，通过经由第四电压源152向分裂电极138施加电压，容量24b可以重新加入容量24a。然后，在将电压施加与第二和第三电极134、136的情况下，单个容量的极性流体24可以移动到第二和第三电极134、136之上，并且即使在去除这些电压时也可以被稳定。由此，可以提供一种用于稳定彼此相邻或彼此联合的极性流体24的机制，其中这两个实例都具有拉普拉斯阻挡体所确定的预期流体几何形状。

在一个分隔器32被错误制造时，可以提供第二或更多行的相邻分隔器32，以确保合适的拉普拉斯阻挡体功能。这种改进可以改善设备功能或是提高产量。

图4A-4F所示的电极和电介质设置以及这里描述的所有其他实施例并不局限于图中示出的特定电介质和电极布置。例如，分裂电极138和相关电介质140可以由第二基底16保持。只要电极和拉普拉斯阻挡体根据这里描述的基本电子和流体原理工作，那么任何设置都是可行的。

进一步参考图4A-4F，拉普拉斯阻挡体可以在数学上定义如下。极性流体24的容量受到限制，由此极性流体24的最小水平半径曲率总是大于相邻分隔器32之间的通路34（图1C）的宽度的一半。这还可以描述成极性流体24具有最大曲率半径，其中该最大曲率半径大于由拉普拉斯阻挡体在极性流体24上给予的最小曲率半径。通常，相邻分隔器32之间的通路34（图1C）的宽度应该始终大于分隔器32的高度与在所施加电动机械力下获得的最小接触角的余弦的乘积。

进一步参考图4A-4F以及这里将覆盖的所有其他实施例，极性流体24必须能够穿越相邻电极132、138、134、136之间的空间。若干种机制都是可行的，并且所有这些机制全都包含在本发明的原理内。如电润湿芯片实验室领域的技术人员所知的，电极交错结合在桥接相邻电极132、138、134、136之间的间隙方面是有效的。由于电场随着距离而分布且不会在绝缘介质中突然终止的，因此电极132、138、134、136也可以构造成彼此非常接近。在一些情况中，对电极132、138、134、136提供极性相似或相反的电压已被证明是有帮助的。在其他情况中，相对于电极132、138、134、136之间的空间来说，形成拉普拉斯阻挡体的分隔器32可以局部不重合或者可以是交错的，以便在电极132、138、134、136之间的空间提供极性流体交错结合的替换手段。极性流体24还可以具有至少部分在电极132、138、134、136之间的空间上突起的容量。其多种组合和设置都是可行的，并且包含在本发明的原理内。

进一步参考图4A-4F，在这里将拉普拉斯阻挡体描述成在几何形状方面是直的。虽然这对一些实施例而言是优选的，但是拉普拉斯阻挡体也可以采用对极性流体24而言更为自然或者在极性流体24由于电动机械力而前进期间更为自然的形状。这例如可以允许拉普拉斯阻挡体和极性流体24同时在大多数或是所有可能的位置彼此遭遇。

现在参考图5A-5D，这些附图显示的是根据本发明的其他不同的实施例且使用替换的拉普拉斯阻挡体的电流体设备。通常，这些设备包括第一和第二基底12、16，其中在第一基底12上具有第一和第二电极162、164。电介质166覆盖电极162、164。第二基底16包括上部电极168以及覆盖上部电极168的电介质166。第一电压源170耦合第一和上部电极162，168；第二电压源172耦合第二和上部电极164，168。

如图5A所示，以类似于图4A的方式构造的分隔器32可以设置为二维阵列，例如正方形或六边形图案的分隔器32。设备160所工作的方法中的唯一变化在于，使极性流体24（图1A）运动通过分隔器32所必需的阈值电压幅度与保持极性流体24向前运动并且覆盖电极162、164所需的电压幅度是相同的。以下是这种方法的三个优点：（1）其功能与图4A的设备50相似，但是可以在不需要沿着电极162、164的周边精确对准分隔器32的情况下实现；（2）极性流体24（图1A）可以在处于电极162、164之间且覆盖所述电极的多个中间位置处稳定；以及（3）分隔器32之间的间隔不需要是均匀的。例如，虽然没有显示，但是如果在第一电极162左侧的图5A的分隔器32比第一电极162的右侧的分隔器定位得更加接近，那么当极性流体24（图1A）从第二电极164移动到第一电极162时，极性流体24（图3A）的最终位置是可基于从第一电压源170施加到第一电极162的电压而选择的。由此，需要更大的电压以移动通过通道28中具有较小间隔的分隔器32的部分。

与常规的电润湿设备不同，图5A的设备160具有可以在极性流体24的容量具有最小位移的情况下，对极性流体24（图1A）的移动和稳定性提供这种适应和强壮影响的分隔器32。例如，分隔器32的高度和直径全都可以是5μm，并且位于正方形阵列中的相邻分隔器32之间的间隔可以是50μm。净效应等同于方形单位设备内具有一个截面积为πx2.5μm²（大约20μm²）较大分隔器或是像素截面积为50x50μm²（2500μm²）；或者换句话说，一个分隔器32占用的截面积将小于像素的总的水平截面积的1%。这对于视觉显示特定流体或是以最大速度和容量来移动流体的状况而言是有利的。此外，还有利的是，这与常规的电流体设备相比更有效地使用了空间。由于分隔器32通常是调节第一与第二基底12、16之间的间隙所需的，因此，这些分隔器32可以使用单个光刻掩膜步骤来同时制造。分隔器32可以创建对流体流动几乎没有附加妨碍或阻碍的拉普拉斯阻挡体。与在常规的电润湿显示设计中使用的疏水网格或分隔器不同，通过在放置分隔器32的基底上创建低电容，分隔器32不会实质上减小两个电润湿板之一的电润湿。

在图5B所示设备180的替换实施例中，导线或塑料丝网代替图5A中的分隔器32作为拉普拉斯阻挡体。丝网182是导电的，并且其涂覆有非常薄的含氟聚合物，所述丝网182也可以用作极性流体24（图1A）的局部电接地。丝网182可以是编织的、熔化的或其他类型的多孔织物或薄片，并且其具有仅仅需要将丝网、织物或薄片布置在第一与第二基底12、16之间的经济上的优势。

在另一个实施例中，图5C所示的设备190包括分隔器球体192，其中只要所述分隔器球体表现出如针对本发明描述的那样允许流体流动的平均分离度，那么这些分隔器球体可以用作拉普拉斯阻挡体。

与针对图5A描述的分隔器32不同，图5B和5C的塑料丝网182以及分隔器球体192影响跨越且包含该曲率半径平面的任何锐角的极性流体24（图1A）的曲率半径。换句话说，由拉普拉斯阻挡体所导致的极性流体弯液面的减小的曲率半径可以处于与垂直平面成角度的平面。

在图5D所示的另一个实施例中，设备200拉普拉斯阻挡体由一个或多个突起或脊部202组成，其中所述突起或脊部的高度小于通道28的高度。在这种情况下，脊部202将不用作基底12、16之间的实际物理分隔器，而是仍旧用作拉普拉斯阻挡体。由于脊部202在高度上比通道28短，因此，在保持相似的拉普拉斯阻挡体属性的同时，脊部202之间的较小分离度可以在极性流体通过脊部202之后促使所述极性流体更快速地重新结合，在一些情况中，极性流体24从未分裂。通常，为了促使极性流体24（图1A）在经过脊部202时不分裂，与分隔器32（图5A）相比，拉普拉斯压力应该有利于脊部202顶部上的前向移动，在一些情况中，这需要第二基底16与脊部202的顶部之间的距离大于脊部202的直径。虽然术语脊部202看似是指特定的形状，但是所述脊部202并不限于此。相反，所述脊部202可以包括任何延伸进入但却没有完全穿越通道28的物理结构，包括高度大于其宽度或直径并且由此形状与柱状物相似的脊部。

图5A-5D所示的具体示例并不形成限制设置。相反，图5A-5D所示的示例说明拉普拉斯阻挡体的多种变体和实施例包含在本发明的原理内。附加的拉普拉斯阻挡体可以部分或者全部由表面能、表面粗糙度、接触角滞后和/或两个基底之间的通道的高度组成。例如，一个或多个基底上的脊部格栅可以提供拉普拉斯阻挡体功能。此外，具有拉普拉斯阻挡体的设备还可以使用局部或多孔流体阻挡体，例如电极的局部遗漏部分，或是局部降低极性流体上的电动机械力的局部增加的电介质厚度。

进一步参考图5A-5C以及本发明的其他实施例，第二基底16不需要承载电极，并且在通道28中不需要具有接地导线（未显示）或其他电耦合。替代的，共面电极是电润湿领域的技术人员众所周知的，并且这种电极包含在本发明的原理内。本领域普通技术人员将容易理解如何在本发明的任一实施例中实施共面电极。

参考图6A-6D，描述了根据本发明另一个实施例的电流体设备206。设备206包括第一和第二基底12、16。作为第一基底12上的块（block）形成的电介质208定义了通道部分210，而第一基底12的剩余部分与第二基底16一起形成储液器212。电介质208包括下部电极214以及分裂电极216，其中分裂电极216在进入通道部分210的流体通路附近或是与储液器212基本相邻的位置形成。第二基底16包括上部电极218以及覆盖所述上部电极218的电介质208。第一电压源220通过极性流体24电耦合到下部和上部电极214、218。第二电压源222耦合分裂电极216和极性流体24。如所示，分裂电极216由此提供将来自疏水储液器212的极性流体24引入通道部分210的手段。

在没有从图6A所示的第一或第二电压源220、222中的任何一个的电压的情况下，与通道部分210中的较小曲率半径226相比，由于疏水储液器212在极性流体24上赋予较大的曲率半径224，因此，极性流体24将有利于占用疏水通道部分210上的疏水储液器212。如图6A所示，在没有施加电压的情况下，曲率半径224、226使极性流体24退回到疏水储液器212中。然而，根据本发明的原理，需要用于稳定通道部分210中的极性流体24的机制。此外，一旦在通道部分210中稳定了极性流体，那么必须允许其在具有恰当电激励的情况下返回到疏水储液器212。拉普拉斯阻挡体不能单独实现上述功能，因为拉普拉斯阻挡体仅仅会对前进的极性流体24起作用，即，不会收回极性流体24。因此，图6A-6D中的电流体设备206的分裂电极216被构造成与疏水储液器212以及至少一个分隔器32相邻。

如图6B所示，第一和第二电压源220、222向极性流体24以及电极214、216、218供应电压。结果，产生足以使极性流体24前进至通道部分210以及经过分隔器32的净压力228。为了停止或减少流体的前进，则减小或停止从第一电极214施加的电压。

为了将极性流体24保持在指定或预期的位置，在分裂电极216上去除或减小由第二电压源222施加的电压。相应地，极性流体24去润湿分裂电极216上方的区域。如图6C所示，从第一电压源222施加到下部电极214的电压也可以被去除，并且然后极性流体24将会稳定。

图6A-6D的设备206实现三个特征：（1）将极性流体24从疏水储液器212移入通道部分210的双稳态机制；（2）通道部分210内的极性流体24的量可以基于时间或从电压源220、222提供的电压而改变；以及（3）拉普拉斯阻挡体（被显示成分隔器32）稳定极性流体24，以使其始终与分裂电极216相邻。由于这个第三优点，当由第二电压源222再次向分裂电极216施加电压时，如图6D所示，极性流体24可以退回到储液器212中。在过程的结束时，由第二电压源222提供给分裂电极216的电压可被去除，以使极性流体24返回到图6A中示出的位置。

用于改善相邻电极之间的流体流通的若干种机制都是可行的，并且这些机制全都包含在本发明的原理内。如电润湿芯片实验室领域的技术人员已知的，电极交错结合在桥接相邻电极之间的间隙方面是很有效的。由于电场随距离分布且不会在绝缘介质中突然终止，因此，电极还可以被构造成彼此非常接近。在一些情况中，在相邻电极上提供极性相似或相反的电压可以证明是有帮助的。在其他情况中，拉普拉斯阻挡体可以相对于电极之间的空间局部不重合或者交错，以便在电极之间的该空间提供极性流体交错结合的替换手段。极性流体还可以具有至少部分在电极之间的空间上突起的容量。其众多组合和排列都是可行的，并且全都包含在本发明的原理内。

如图6A-6D所示，用于将极性流体24从储液器212引入通道部分210的机制需要电润湿第一和第二基底12、16。虽然没有特别示出，但是也可以使用单个电极和电润湿表面将极性流体24引入通道部分210。如果分隔器32包含由电介质材料围绕的电极，那么相邻分隔器之间的分离度可以减小，并且这些分隔器可被电润湿，以及将极性流体24从疏水储液器212电润湿或使其渐进到通道部分210。

进一步参考图6A-D，具有拉普拉斯阻挡体的设备206可以提供用于灰度重置的机制。如先前所述，当电极214、216、218在第一电压上被偏置到阈值电压时，拉普拉斯阻挡体可以促使极性流体24前进至所述拉普拉斯阻挡体，但是不会超出该阻挡体。由此，设备206可以提供取决于设备206内包含的拉普拉斯阻挡体的数量的精确灰度值。相应地，提供了用于极性流体24在两个或更多位置的灰度布置的更精确的机制。应该理解，在极性流体24移动到拉普拉斯阻挡体以及随后从拉普拉斯阻挡体移开一定距离（例如在两个相邻拉普拉斯阻挡体之间的位置）时，对于在拉普拉斯阻挡体之间布置极性流体24而提供更精确的机制。该功能可被称为灰度重置状态，其避免了两个或多个灰度状态（即极性流体24的位置）之间的多次切换的灰度累积误差。灰度重置在视觉上是优选的，因为灰度重置通常需要将极性流体24重置以完全填充通道部分210或储液器212，而这将导致每次改变灰度状态时信息显示中可观察到的闪烁（flicker）。

现在参考图7A和7B，示出根据本发明另一个实施例的电流体设备270。同样，电流体设备270包括在其间形成通道28的第一和第二基底12、16。第一基底12包括三个下部电极272、274、276以及覆盖第一基底12和电极272、274、276的电介质278。第二基底16包括三个上部电极280、282、284，并且在这些电极上具有电介质278。上部电极280、282、284被定位成与第一基底12的下部电极272、274、276正交，由此形成如图7B所示的类似于网格的行（第二基底16的上部电极280、282、284）和列（第一基底12的下部电极272、274、276）的图案。这种上部和下部电极272、274、276、280、282、284的设置创建用于在多个位置之间移动极性流体24（图3A）的所谓的无源矩阵电极。虽然本领域普通技术人员将容易理解无源矩阵电极的实施方式，但是在此将设备270示出具有通用电压源283，其中所述通用电压源代表与上部和下部电极272、274、276、280、282、284中的单独一个电耦合的不同电压源。

电流体设备270在多个位置之间水平移动极性流体24（图1A），以便将双稳态像素中的极性流体24在两个视觉上不同的状态之间进行切换（图1A）。例如，如果极性流体24（图1A）要同时覆盖一个以上的行或列电极，那么通过极性流体24（图1A），所覆盖电极之间的电容耦合会使驱动方案复杂化。相应地，如果金属的用作拉普拉斯阻挡体的导线丝网182可以用作在所有位置的极性流体24（图1A）的电接地电极。然后，导线丝网182可以被设计成使得第一和第二基底12、16上的电润湿必须同时提供，以使极性流体24（图1A）通过导线丝网182前进。结果，极性流体24（图1A）仅仅朝向提供有恰当电压的相邻的行和/或列电极移动。该实施例的这个方面提供用于对极性流体的移动进行无源矩阵电控制的简单手段。

类似地，常规的电润湿显示器可以包括用于在两种视觉上不同的状态之间切换双稳态像素中的极性流体的无源矩阵技术。然而，多个电极以及极性流体之间的电容耦合会使得此类常规电润湿显示器中的无源矩阵操作降级。

参考图8A和8B，描述根据本发明另一个实施例的电流体设备296。该电流体设备296以有源矩阵电极方案构造，即，第一基底12包括排列为类矩阵图案并被电介质299覆盖的多个电极298n（其中在说明性实施例中，n的范围是从a到h）。第二基底16包括接地电极300，并且与第一基底12协作而在其间形成包含极性流体24和非极性流体26（图1A）的通道28。有源电极方案可以在由每一个电极298n限定的多个位置之间移动极性流体24（图1A）。用于每一个电极298n的薄膜晶体管302n提供了针对每一个电极298n的本地电压控制，并且由此控制电极298n上的极性流体24（图1A）的电润湿。作为替换，薄膜晶体管302n可以直接向极性流体24（图1A）提供电压。无论哪一种情况，当极性流体24（图1A）在电极298n之间移动时，极性流体24（图1A）与电极298n之间的电容改变。在有源矩阵驱动中，即使极性流体24（图1A）与电极298n之间的电容是可变的，对其进行放电也是容易实现的。然而，在极性流体24（图1A）与电极298n之间构建电容来使极性流体24（图1A）在电极298n上前进提出一个难题，这是因为电极298n与极性流体24（图1A）之间的电容会随着极性流体24（图1A）在电极298n上方的前进而增大。在有源矩阵驱动的典型写入时间中，极性流体24（图1A）在电极298n上前进的过于缓慢，以至于不允许电容达到最大。结果，需要薄膜晶体管298n的多个行电压写入循环来完成极性流体移动。由此，优选设置存储电容或多个薄膜晶体管302n以促进极性流体24（图1A）的快速移动。多种此类电驱动方案是有源矩阵显示器领域的技术人员所公知的，并且这些方案全都包含在本发明的原理内。

参考图9，描述根据本发明实施例的另一个电流体设备260。示出第一基底12，并且该基底包括采用方形电焊垫的典型形式的分段电极262a、262b、262c、262d（统称为262n），以便在两个或更多的分段电极262n上移动极性流体24（图1A）。通过包含第二基底16（图1A），可以与第一基底12一起形成通道28；然而为了简单起见，在通过通道28的这个剖面中并未显示第二基底16（图1A）。通常，分段电极布局需要至第一基底12边缘的电焊垫266a、266b、266c、266d的多条电极线264a、264b、264c、264d（统称为264n）。作为替换，虽然未示出，但是电极通孔（via）可以采用与在印刷电路板中使用的方式相似的方式延伸通过第一基底12。在典型实施例中，电极线264n端接于第一基底边缘附近，并且采用一对一的方式分别与电极162n相连。对于电极262n全都保持在相同基底上的情况，分隔器32可以放置在电极线264n与各个分段电极262n相连的位置。这种结构防止了极性流体24（图1A）被机电地且过早地推动到电极线264n上。虽然没有具体示出，但是替换的方法是实施一条在水平方向上很窄的电极线，以使有效电极线区域不足以将极性流体24（图1A）拖到电极线上。

参考图10A和10B，示出根据本发明另一个实施例且用于使用针对图1A-9所描述的一个或多个能力的设备300。设备300包括用玻璃之类的刚性材料或是在制造期间附着于刚性载体的非刚性材料制成的第一和第二基底12和16。非刚性材料可以是柔性或可卷曲的，例如塑料。第一基底12包括电介质302，所述电介质302具有在其内延伸的储液器304。在储液器304的底部表面上制成诸如炭黑或二萘嵌苯黑色颜料之类的吸光基础材料306，用于减少来自设备300中那些不能被流体24、26覆盖的部分的反射，并且由此提高像素对比度。针对图10来说，通过在极性流体驻留在储液器304的同时减小来自极性流体24（图1A）的反射，基础材料306也可用于提高像素对比度。

为了实现用于特征图案化处理的最大分辨率，优选是除了储液器之外将包括分隔器32在内的所有结构全都制造在第二基底16上。如所示，分隔器32是用炭黑或萘嵌苯黑色颜料构造或是涂覆了炭黑或萘嵌苯黑色颜料的。由第一基底12承载的结构，即储液器304、电介质302和基础材料306可以使用单一的光刻掩膜步骤来制造，因为这些结构共享水平面上的互补几何形状。

设备300还包括在图10A中作为薄膜晶体管示出的一个或多个电压源308，但是作为替换，如显示领域的技术人员所熟知的，这些电压源也可以是形成小的切换电路和/或存储电容器的多个薄膜晶体管。电压源308包括能够在电压源308与极性流体24（图1A）之间为极性流体24（图1A）的在通道28内的所有位置保持电连接的电极310。为了保持电极310与极性流体24之间的电连接，与在设备300中发现的固有或是通过添加具有疏水性的涂层得到的其他表面相比，电极310的疏水性可以更强。

由于晶体管不透明且第一基底12可以由透明材料制造，因此，视点311来自有利位置，由此通道28内的极性流体24（图1A）和/或非极性流体26（图1A）通过第一基底12可观看到。

第一基底12还可以包括由电介质314围绕的电极312。第二基底16同样可以包括被电介质314围绕的电极316。在第一与第二基底12、16之间形成的通道28包括至少一个拉普拉斯阻挡体，其中该阻挡体在这里被特别显示成多个分隔器32。

仍旧参考图10A和10B，储液器304连接至管道318，该管道318在极性流体24从储液器304移出并进入通道28时为非极性流体25提供进入储液器304的通路。该管道318导致储液器的几何形状是非对称的，这有助于促使极性流体24开始从储液器304流入通道28。

图11A和11B示出根据本发明实施例且与图10A的设备300的结构相似的设备320。设备320的电压源321在储液器304的底部表面上制造，由此，相关联的电极322是在储液器304的底部表面以及侧壁上制造的。相应地，视点311指向第二基底16上方。

为了实现用于图案化的最大分辨率。包括分隔器32的结构可以在第一基底12上制造。在将第一基底12与第二基底16进行装配的期间，在第二基底16上制造且包括上至电极18以及相关联的电介质302的这些结构不需要与第一基底12承载的相应结构对准。

现在转到图12A-13D，示出根据本发明另一个实施例的设备330，其中如参考图10A所述，所述设备330具有第一和第二基底12、16，并且在第一基底12上具有电介质302。与图10A的设备300不同，设备330包括两个储液器332、334。每一个储液器332、334可以采用与图10A的储液器304相似的方式构造，并且每一个都可以包括不同的极性流体24，40（图1A），当在设备320的通道28中显示并且从视点311查看的时候，每一个极性流体24、40（图1A）都具有不同的光学属性。当在设备330或是这里描述的其他任何单个设备中使用多个极性流体时，可以使用一个以上的拉普拉斯阻挡体来单独和同时限制每一个极性流体的前进。如图13C和13D中具体显示的，拉普拉斯阻挡体允许两个或更多极性流体24、40定位为紧邻而不会融合。拉普拉斯阻挡体提供了一种手段，借助该手段，通道28内的一个以上的极性流体24、40（图1A）可被稳定，而不会出现融合储液器332、334中的其他极性流体40、24（图1A）的风险。所述拉普拉斯阻挡体在稳定具有可视区域的通道28中的极性流体的同时还实现了上述功能，其中所述可视区域即为所覆盖的剖面区域，并且该区域大于极性流体24、40（图1A）在没有拉普拉斯阻挡体的常规设备中占用的水平呈圆形的几何形状。通过有效使用设备330中的可视空间，降低了显示器在反射显示应用中的所有非反射部分的视觉对比度。

参考图13A-13D并且根据本发明的一个实施例，在图12A的电流体设备中添加分裂电极340、342。所示出的第一和第二极性流体24、40具有至少一个不同的光学属性。该分裂电极340、342提供了与针对图6A所描述的功能相类似的功能。在将极性流体24定位在通道28内的时候，处于通道28内的分隔器32将会确保每一个极性流体始终保持稳定并且与分裂电极340、342之一相邻，以使极性流体24、40可以返回到各自的储液器332、334。分隔器32还稳定通道28内的不同极性流体24、40，以使分裂电极340、342可以将极性流体24、40之一分成处于通道28和储液器332、334内的两个容量。这种将极性流体24、40分成两个不同的较小的容量的机制相对于其中容量必须相似或相等的常规的芯片实验室电润湿设备中的分裂具有优势。拉普拉斯阻挡体允许极性流体24、40的所分裂的容量是不同且可重复的。

进一步参考图13A-D，通过使用针对图1A-12B描述的原理，逐步示出用于操作设备330的视频和双稳态模式。

在视频模式期间，分裂电极340、342将被偏压，以使得至少一个极性流体24、40可以驻留在通道28内且处于分裂电极340、342附近。结果，如参考图6A-6D所述，极性流体24、40之一可以在通道28与各个储液器332、334之间以视频速度（即10Hz）移动。

在双稳态模式期间，使用恰当的电压或无电压来将分裂电极340、342偏压，由此，处于通道28内的极性流体24、40之一或是这二者会从各自储液器332、334内的量中分离。结果，在没有电压施加于设备330中的任一电极的情况下，极性流体24、40在通道28中的位置保持稳定。实际上，在包含两个或更多具有结构与设备330相似的像素的显示设备中，使用附接于所有分裂电极340、342的单个电压源，可以在视频与双稳态模式之间切换显示。

虽然在图13A-13D中没有显示，但是一旦在通道28内稳定了极性流体24、40之一或是这二者，则可以使用与如上所述的原理相类似的原理来移动极性流体24、40。存在这里给出的不同设备和实施例的多个组合，并且本发明并不局限于特定附图示出的功能。

在参考图6A、12A和13A描述的设备中还可以实施无源矩阵驱动方案。虽然该描述特别针对的是图6A的设备206，但是针对图12A和13A的设备的330的原理的实施方式也是很容易理解的。

假设显示器包含图6A所描述的设备206的阵列，其中每一个设备206位于行和列电极矩阵的交叉点。每一个设备206形成一个像素、分段、子像素或是其他视觉有用的特征。在第一无源矩阵驱动方案中，分裂电极216是行电极；上部电极218是列电极，而下部电极214则由所有像素共享。下部电极214可以提供有允许极性流体24前进至通道28或是退回到储液器212的电压。极性流体24还提供有所有设备206的公共电连接，以便将设备206电接地以及防止电压与极性流体24电容耦合。结果，使用行电极216来连接通道210和储液器212中的极性流体24，以及使用列电极218来控制极性流体70是否移入通道210或储液器212，可以每次将设备206定址在一个行上。附加的驱动方案也是可行的，并且可以使用电极214、216、218中的任何一个以及可以使用以电容或导电方式连接至极性流体24的附加列电极（未显示）来创建首先允许将极性流体24移入通道210的无源矩阵框架，其后允许将极性流体24移入储液器212的替换框架。用于本发明的众多无源矩阵驱动方案都是可行的，这些方案可以通过使用拉普拉斯阻挡体、分裂电极216以及每一个设备206上的两个或更多电极来实现。

参考图14A-16B，示出根据本发明另一个实施例的单个像素360，其中所述像素可以与附加像素结合而形成大的像素阵列，即显示设备。每一个像素360由有源矩阵定址技术驱动，但是为了简单起见，在这里仅仅显示单个像素360。像素360具有在第一与第二基底12、16之间（在剖面图中并未显示第二基底16）形成的四个通道区域362a、362b、362c、362d（统称为362n），其中第一基底12包括由概括性地被显示成电压源365的电压源驱动的四个独立电极364a、364b、364c、364d（统称为364n）。容易了解的是，虽然仅仅显示四个通道区域362n以及四个电极364n，但是在通道中仅有一个或是四个以上的电极的任何数量的通道区域都是可行的。

如图14A和14B所示，每一个通道区域362n包括储液器366a、366b、366c、366d（统称为366n），并且每一个储液器包含不同的极性流体368a、368b、368c、368d，以及其中通道区域362n的容量由非极性流体370填充。像素360的外部周边372具有形成拉普拉斯阻挡体的一系列分隔器374。这个外部周边372的用途是在相应极性流体368n从储液器366n移至通道区域362n时允许非极性流体370受控地返回储液器366n。

图14B、15B和16B示出像素360的一部分、尤其是一个通道区域362b的更进一步的细节。如所示，管道376以流体方式耦合到储液器366b以及通道区域362b。该管道376在几何结构上部分或者全部在与储液器366b一样深，但是其具有小于储液器366b的几何形状，由此拉普拉斯压力将会阻止极性流体368b润湿管道376。由此，管道376提供一个通道，通过该通道，非极性流体370能够容易进入储液器366b。如果储液器366b是对称的（例如具有圆形的形状）并且由通道区域362b围绕，那么管道376打破储液器366b的对称性，否则极性流体368b会在受到电动机械力的情况下尝试沿着所有径向离开储液器366b。由于非极性流体370没有其他进入储液器366b的方式，因此还可以将极性流体368b限制在储液器366b的内。

图14B、15B和16B的放大视图最佳显示流体移动的非限制性顺序。虽然仅仅显示了像素360的一个通道区域362b来描述流体移动的顺序，但是应该理解，在其他通道区域362a、362b、362c、362d中也可以使用了类似的结构和流体移动。在图15B中，极性流体368b从储液器366b前进至通道362b。用作另一个拉普拉斯阻挡体的放大的分隔器378被定位成防止极性流体368移经通道区域362b中被分隔器378覆盖的部分。

将电压施加于电极380、382、364b，以创建将极性流体368b从储液器366b拖入通道区域362b的电动机械力。

然后，极性流体368b必须被分裂，以使得在通道区域362b与储液器366b之间没有连续的极性流体连接，否则，在去除电压时，则极性流体368b将会借助拉普拉斯压力退回到储液器366b。如图16B中最佳显示的那样，从第二电极382上去除电压，由此导致非极性流体370如箭头384所示前进到通道区域362b中并且覆盖第二电极382。这有效地将极性流体368b分成了两个容量：处于通道区域362b的第一容量以及处于储液器366b的第二容量。然后，由于分隔器374将极性流体369b限制在通道区域362b内，因此可以从电极364b上去除电压。通过向电极380、382施加电压，极性流体368b可以返回到储液器366b；然而，施加给电极364b的电压应该足够高，以促进处于通道区域362b内与处于储液器366b内的极性流体368b之间的接触，但是所述电压还应该足够低，以使杨氏拉普拉斯压力将极性流体368b从通道区域362b驱动到储液器366b。作为替换，虽然没有特别显示，但是第一电极380中与储液器366b相邻的一部分可被去除并用亲水表面替换。由此，这个亲水表面始终会被极性流体368b润湿。作为替换，电极380、382可以是交错结合的，或者可以被放置在不同的基底（例如第一和第二基底12、16上，以使其可以机电地影响极性流体368b。作为替换，如参考图6A所述，电极380中与储液器366b相邻的部分可以被分裂电极138（图1A）取代，并且由此使用与针对图6A和13A描述的功能相似的功能。

在图15A中，极性流体368b仅仅浸润电极364b上方的通道区域362b。此时，极性流体368b可以移至相邻通道区域362a、362b，并且作为替换或补充，通过将电压同时施加于相应电极364a、364c、364d以及与每一个储液器366b相关联的第二电极382（图15B），可以拖曳所述极性流体覆盖所有通道区域362n。

如图16A和16B所示，两个极性流体368a、368c可以填充相邻通道区域362a、362b、362c而没有结合的风险。因此，在单个像素360中可以提供多种颜色组合，而没有与滤色器相关联的亮度和色饱和度损失。

对于像素阵列来说，围绕每一个像素的拉普拉斯阻挡体可以由围绕管道取代，尽管在这里并未具体显示此。在替换实施例中，多个像素可以以彼此相邻的方式放置，以便共享相邻的储液器，这可以简化极性流体的剂量或降低用于所构造的显示器的驱动电路的复杂度。

对于图14A-16B显示的实施例来说，为了消除流体流动的影响以及在将像素设置在一维或二维阵列中时的相邻像素360之间的压力，提供边界阻挡体386。

参考图17A-17J，根据本发明的另一个实施例，示出具有较薄轮廓的电流体设备400，并且包括第一基底12，其中在所述第一基底上具有第一电极402以及电介质404。在这里被显示成一系列分隔器402的第一拉普拉斯阻挡体以光刻方式图案化在电介质404上。作为示例，每一个分隔器32的厚度或高度可以是4μm。此外，还使用光刻法形成不是拉普拉斯阻挡体的分隔器，并且该分隔器被标记成386。在分隔器32上应用分隔层406，并且如下所述，该分隔层包括被配置成允许流体在设备400内流动或传播的第一两个管道408a、408b。所述分隔层406并不是中间基底，而是直接在第一基底12上形成，并且由此密切地属于或校准到第一基底12。所述分隔层406还可以作为类似DuPont Per-MX的层压光刻胶来应用。这形成用于保持极性流体24的储液器410。在添加第二基底16时，在第二基底16与分隔层406之间会形成通道412。通道412和储液器410在特征方面是相似的，并且在适当的位置可以互换。相应地，管道408a、408b在通道412与储液器410之间提供流体通路。包含独立制造中间基底以及随后将中间基底与另一个基底相结合的常规构造，由于对准问题以及薄聚合物膜变形问题，而对制造业造成过高的挑战。

如所示，第二基底16包括第二电极414。如先前详细描述地，第一和第二电极402、414全都包含电介质层404。

第三基底416可以是用具有反射属性的材料构造或包含作为涂层的具有反射属性的材料，所述第三基底由优选基于光刻的方法在疏水层406上制造。

第一和第二基底12、16还可以包括边界阻挡体386，其中所述阻挡体构造为固态阻挡体或拉普拉斯阻挡体，以定义显示设备的各个像素。

第二基底16、第二电极414以及电介质404层压在用透明材料构造的边界阻挡体386上。在施加第二基底16之前，与第一极性流体24或非极性流体26具有流体接触的大多数表面包含先前描述的疏水涂层，但是为了简单起见，在这里并未特别对此进行图示。在一些实施例中，疏水涂层没有将第三电极416与极性流体24电绝缘。由此，疏水涂层可以足够薄，以便允许极性流体24与第三电极416之间导电。

设备400内且与第二电极414相邻的流体空间，即通道412基本上可以从视点311看到，而与第一电极402相邻的空间，即储液器410基本上对视点311是隐藏的。储液器410和通道412包含极性流体24和非极性流体26。

设备400外部的光源430允许借助与第三电极416相关联的反射属性来观察流体空间内的极性流体24。相应地，光从光源430进入设备400并且经过第二基底16的可视区域。所述光穿越通道412内的流体（极性流体24或非极性流体26）并且在第三电极416上被反射。当光穿越流体时，所述光的至少一个频谱属性会经历变化，其中极性流体24和非极性流体26以不同的方式改变光的频谱属性。举例来说，频谱属性可以包括波长、散射、极化、反射、吸收、折射或其他已知属性。

第一电压源418和第二电压源420与三个电极402、414、416相连，其中两个电压源418、420都通过第三电极416而与极性流体24具有公共连接。电压源418、420能够在第一位置或第一显示状态到第二位置或第二显示状态之间移动极性流体，其中在第一显示状态中，极性流体24主要驻留在储液器410内，并且由此大不被看见的，在第二显示状态中，极性流体24主要驻留在通道412内，并且由此在很大程度上是可以看到的。所谓的“灰度”这样的中间位置同样是可能出现的，其中极性流体24的仅仅一部分是可以被看到的。

参考图17A和17B，示出在第一和第二电压源418、420上施加负电压或零电压的情形的第一垂直曲率半径422和第二初始曲率半径424。由于在极性流体24接触的大多数区域中设置了疏水涂层，并且由于储液器410和通道412的高度被设计成近似相等，因此，曲率半径422和424近似相等。还为图18B的顶视图示出影响力较小的曲率半径426，但是如先前所述，与明显较小的第一和第二曲率半径422和424相比，曲率半径426的重要性相对较低。在这个配置中，极性流体24在具有以下条件的情况下稳定：由于曲率半径422和423不会完全相同（主要是因为通道412与储液器410之间的高度变化），因此必须存在某个力来进一步对抗处于均衡状态的极性流体活动。在一个实施例中，为了对抗流体活动，需要拉普拉斯阻挡体。在这个实施例中，拉普拉斯阻挡体可以通过接触角滞后来提供，其中所述滞后会在多个位置稳定极性流体24。接触角滞后可以是疏水涂层22（图1A）的固有属性，例如疏水涂层的纹理表面，它可以归因于电荷注入，或者可以通过电润湿领域的技术人员知道的其他手段来完成。

包含在图17A的设备中使用的接触角滞后的拉普拉斯阻挡体在数学上可以定义如下。通道412或储液器410中的拉普拉斯压力之间的差别必须小于接触角滞后所导致的滞后压力。可以通过在计算拉普拉斯压力的过程中用与参量余弦相除的高度来替换通道412或储液器310的高度而计算该滞后压力（杨氏角会减小接触角滞后）。

然而，如下所述，接触角滞后并未提供灰度重置能力。结果，分隔器32形成一行拉普拉斯阻挡体，并且将会提供如针对本发明的其他实施例描述的灰度重置状态。

参考图17C和17D，两个电压源418、420都供应了相似的电压，并且由此施加了相似的电动机械力，以减小极性流体24在通道412或储液器410的一个侧面上的表观接触角。虽然同时增加曲率半径424、426，但是半径424、426同等增加，并且不会发生极性流体24的位移。

参考图17E-17H，电压源418、420中仅有一个供应电压，或者作为替换供应幅度或持续时间改变的电压，由此，净压力428导致极性流体24沿着净压力428的方向移动。极性流体24可以填充或清空储液器410，或者可以被移动到储液器410和/或通道412内的中间位置。虽然没有显示，但是附加电极和电介质可被添加到与疏水层406相邻，以提高净压力428。由于接触角滞后，在去除电压时，则极性流体24在给定位置保持稳定。

如图17I和17J所示，极性流体24被前进至分隔器32，但是不会超越该分隔器。然后，可以去除电压，以创建极性流体24的双稳态定位。图17J的视图是储液器410的视图，其不同于是通道412的视图的图17B、17D、17F和17H中的视图。

结果，设备400被显示成按需提供视频或是不同灰度状态之间的快速切换，而不会具有显著或缓慢的“闪烁”。例如，常规的电泳显示器必须在图像更新之间将像素重置到完全白色或黑色外观，否则，处于常规设备内的切换色素中的小误差将会累积到不可接受的水平。可以解决这个问题的唯一手段是在中间位置创建灰度重置状态。对于图17I的设备400来说，如果设备或像素处于最大反射率的40%，并且需要具有最大反射率的50%的灰度重置，那么在切换到45%的灰度状态之前，像素首先会被重置到50%的状态。这在光学上只有10%的差别，并且在净流体移动具有15%的差别，由此极大减少了屏幕上的任何“闪烁”外观以及所需要的切换时间。

虽然没有显示，但在储液器410或通道412之一或是这二者的内可以采用与针对其他实施例描述的方式相类似的方式来添加附加的拉普拉斯阻挡体。附加的拉普拉斯阻挡体将允许以不同的几何形状来显示极性流体24，例如正方形或矩形。此外，设备400可以包括如先前所述的第二极性流体40（图1D），由此可以在拉普拉斯阻挡体的任一侧显示两个极性流体24、40，而不会出现融合和颜色融合的风险。设备400的特征可以与为本发明的其他附图和实施例描述的特征和性能相结合。

参考图18A-18D，并且根据本发明的实施例，提供一个具有开放单元（open cell）架构的设备450。一般来说，设备450与图17A的设备400相似，但是管道452提供在包含像素和计数器的设备中心，并且流体流动实现在设备450的边缘453。此外，第一电极402在与管道452对准的位置被分开，并且第二电极454是在其间形成的空间内形成的。第一和第二电极402、454由第一电压源456驱动；第三和第二电极414、454由第二电压源458驱动。

与图17A的设备400相比，由于极性流体24只需要在设备中移动大约一半的距离，因此，该替换实施例的几何对称性可以提升设备450的切换速度。一个附加的方面是使用气体作为非极性流体24来执行操作的能力。与如油这样的液态流体相比，气体的粘度低很多，并且有可能将切换速率有效提升两倍或多倍。

现在特别参考图18C和18D，与使用油作为非极性流体26的实施例相比，当使用气体时，用于极性流体24的杨氏角将会大大减小。然而，操作原理保持不变。分隔器32和边界阻挡体386仅仅占用设备450的周边的小部分。如果分隔器32或边界阻挡体386占用设备350的显著区域，那么在极性流体24再次润湿这些拉普拉斯阻挡体时，这难以去润湿极性流体24。将极性流体24与拉普拉斯阻挡体之间的接触面积最小化确保了极性流体24保持单个容量，由此维持设备450的最大观看对比度。虽然没有显示，但是也可以使用第二非极性流体，并且在该示例中，第一非极性流体可以是气体，第二非极性流体可以是紧挨着拉普拉斯阻挡体提供的少量附加的油，以有助于从拉普拉斯阻挡体去润湿极性流体24。

现在转到图19A和19B并且根据本发明的实施例，拉普拉斯阻挡体可以用于在单个设备中显示三种或更多有色流体，而不会混合或融合这些有色流体。具有有色的油的常规的电润湿设备缺少这一能力，因为所述油会将痕量遗留在大多数表面上，这最终会导致混合。具有电泳色素的常规的油可以提供两种有色色素，但是所述油本身必须是透明的，由此最多只能实现两种颜色。

例如，示例性设备470允许使用染料以及两种或更多的有色极性流体来使用黑色的非极性流体，其中所述极性流体包含着色剂，例如散布的色素。这种能力使得具有用于显示的新的颜色空间机会，并且能够实现大约是常规技术两倍的反射性能以及颜色饱和度。设备470被显示成具有以与图13A的设备330相类似的方式构造的三个像素472a、472b、472c（统称为472n）。每一个像素472n都包含黑色的非极性流体478以及具有颜色互补的不同着色剂的两个极性流体480n、482n。用于红色、绿色、蓝色、蓝绿色、品红色、黄色、白色、黑色的缩略语分别是RGBCMYWK。特定原色（即RBY）的互补颜色是不包含特定原色的颜色，也就是说，由于蓝绿色是蓝色和黄色的混合物且不包含红色，因此蓝绿色与红色是互补的。所示出的设备470包括下列：像素472a包含具有红色着色剂（R）的极性流体480a和具有蓝绿色着色剂（C）的极性流体482a；像素472b包含具有绿色着色剂（G）的极性流体480b和具有品红色着色剂（M）的极性流体482b；以及像素472c包含具有蓝色着色剂（B）的极性流体480c和具有黄色着色剂（Y）的极性流体482c。

使用设备470，可以计算出使用双原色系统的像素性能。在对每一个像素472n中使用两种或更多有色极性流体480、482的影响进行计算之前，首先必须计算原始像素性能。在像素面积大小为340μmx15μm或是大约39,000μm²的情况下，Al电极和分隔器图案化的分辨率限制是5μm，储液器图案化处理的分辨率限制约为20μm，并且Al电介质314（图3A）由分辨率提高3%的材料覆盖，其结果在表1中示出。每一个像素具有两个储液器332n、334n并且具有8行拉普拉斯阻挡体（被显示成分隔器32）的原始像素性能具有77%的净反射率。假设储液器332n 334n、分隔器32以及像素周边全都被在光学上呈黑色的材料所遮蔽，那么产生反射的总的区域是75%。更进一步，应该注意，如果使用脊部202（图5D）并且所述脊部比通道高度短，那么脊部202（图5D）仍旧用作拉普拉斯阻挡体，并且可以消除与分隔器32相关联的10%的饱和度损失。

表1

考虑像素损耗（表1）和双原色系统，为各自具有两个储液器332n、334n的三个像素实际能够实现的白色反射率约为50%，并且色饱和度是40%。

作为图19A所示的第一示例，以下是用于RGY设备470的黄色饱和度：对于67%的平均值而言，红色像素472a实际贡献50%的黄色，绿色像素472b贡献50%的黄色，而黄色像素472c贡献100%的黄色。将此与原始像素面积（75%，表1）相乘以及色饱和度值是50%。

在图19A的示例设备中，每一个像素470n都具有8行拉普拉斯阻挡体，并且由此能够实现8级颜色缩放。如果具有两种互补颜色，即在每一个像素470n中具有两种极性流体24、40，那么设备470可以产生的颜色数量是8x8x8x2种颜色或是1024种不同的颜色。

特别参考图19B，作为第二个示例，示例性设备490包含附加的第四像素472d，其中该像素包含用于显示CMYW的白色流体492。该第四像素472D可以以与图13A的设备330相似的方式构造，但是仅仅需要一个储液器。如果使用两个储液器，那么这两个储液器都会包含白色的极性流体24、40。如果设备处于CMYW状态，那么像素472n为74%的平均值提供66%+66%+66%+100%的反射率，而对处于CMYW状态中的设备来说，为其进行反射率计算是与77%的原始像素反射率（表1）相乘，以便产生57%的净反射率。这个值仅仅比常规的白纸反射率小20%。相应地，如果例如以具有33%+66%+66%+100%的设备来产生红色，并且所述设备以颜色和反射率约为51%的像素性能为基础所达到的平均值是66%，那么，即便是红色这样的颜色也会具有良好的反射率。在考虑常规纸张的反射率是80%并且仅仅用红色墨水反射1/3的可见光谱时，这实际上高于常规印刷。更进一步，大脑可以补偿任何减小的饱和度，例如在将熟悉对象感知成预定颜色时（图片中的粉红苹果仍旧会被感知成红色）。

上述方法不能使用常规技术实现。可以在公共像素中产生两种色素的仅有的其他技术是常规的共面电泳显示器。然而，共面电泳显示器不能实现双原色性能，这是因为色素颗粒必须散布在透明的油层中，并且由此不能使用黑油。需要透明的油以显示白色背景。结果，共面电泳方法不能在单个子像素中产生黑色和两种颜色。由此，图19A和19B中的设备470的双原色系统本身相对于使用拉普拉斯阻挡体的独特之处在于准确显示有色极性流体，而不会出现融合的风险。

参考图20，对图19B中的设备470的光学性能进行更严格的计算。该模型采用常规材料，其中所述材料实际是可以改进，并且将会导致产生比所显示的色饱和度和性能更高的色饱和度和性能。该模型还假设以光学损耗为代价添加拉普拉斯阻挡体。然而，如先前所述，使用未跨越整个通道高度的拉普拉斯阻挡体可以缓解光学损耗。使用本发明的原理，显示若干种颜色系统。“RGB相关”指的是在显示R、G或B颜色时的与RGB的纸面印刷（33%）相比较的%反射率。由此，大于1的值意味着牺牲了色饱和度来实现反射率。“RGB饱和度”指的是实际在显示R、G或B颜色时与纸面印刷颜色相比较的%区域。同样为CMY颜色给出类似的考虑因素。

为了用基准问题测试关于图20的表格中的计算，第一模型500针对的是使用黑油薄膜、RGBW滤色器以及与Liqua Vista Co.,Eindhoven Area,Netherlands提供的商用设备相似的像素结构的常规电润湿显示器。模型500预测白色反射率是29%，这与白色反射率约为25%的当前样机性能接近。通过优化，Liqua Vista RGBW模型500应该达到大约29%的白色反射率。

第二模型502针对的是具有单个储液器并且使用RGB滤色方法的电流体像素。计算出的白色反射率高达44%。然而，如为第一和第二模型500、502所示的，即RGBW技术（电润湿和电流体），色饱和度非常差。

第三模型504针对的是具有2个储液器以及将双原色系统与白色子像素结合使用的电流体像素，例如图19B的设备470。白色反射率提升到了57%，但是更为重要的是，色饱和度接近于加倍。对于电子纸张应用来说，这是一个很大的进步。

第四模型506针对的是具有3个储液器的电流体像素，其中所述储液器包含的是C、M和Y极性流体。饱和度和反射率也好，但是不如双原色系统。

第五模型508针对的是将减色过滤与每一个像素/板上的一种颜色（即一个储液器）结合使用来堆叠两个电流体面板（2层）。由于在将多个基底与有源矩阵背板堆叠时，光学损耗通常在任何可能的光学增强中占据主导地位，因此，反射率性能相比于先前模型并未得到改善。然而，饱和度得到了改善。

第六个模型510针对的是使用两个储液器的两个电流体板（2层）的堆叠，其中每一个储液器都具有一种不同的颜色。所计算出的性能具有良好的反射率66%，并且对于所要显示的大多数颜色而言具有良好的色饱和度。添加白色像素（未显示）可以使反射率接近于纸张的反射率。

第七模型152针对的是具有7个储液器的像素，其中每一个储液器对应于CMYRGBW颜色的极性流体之一，并且具有黑色的非极性流体。由于储液器区域引入的光学损耗，其总的性能不如所示的其他一些方法。

进一步参考图20，当第五和第六模型508、510（堆叠两个电润湿板）遭遇到减色时，如果不需要视频速度的操作，那么通常期望不使用有源矩阵背板。如果可以使用无源矩阵寻址，那么可以显著提升光学性能。然而，无源矩阵寻址通常仅仅对双稳态像素而言是可行的。因此，用于双板电流体显示器的可能的无源矩阵驱动方案可以使用针对图6A、12A和13A描述的无源矩阵驱动方法，并且堆叠两个这样的像素/设备结构来创建与针对图19B所描述的颜色相类似的颜色。本发明的这些无源矩阵驱动方案是通过使用拉普拉斯阻挡体、分裂电极以及每一个像素/设备三个或更多电极来实现的。还应该注意，上述无源矩阵驱动方案也适用于在每一个像素中具有一个或多个储液器的单板电流体设备。

进一步参考图20，应该注意，图19A和19B所示的颜色系统是非限制性的，而是仅仅作为示例的，附加颜色系统可以包含在本发明的原理内。这些颜色系统在最大感知性能方面并未优化，例如通过降低反射率而提高饱和度。极性流体颜色、储液器位置、拉普拉斯阻挡体以及这里描述的其他特征的多个变型和优化全都落入本发明的总体原理内。这一优化对于浸入式读取或类似汽车导航系统的应用而言并不是相同的。此外，对于像素尺寸非常大的指示牌之类的显示应用来说，只有在多孔阻挡体、像素周边等等占用较小的视觉区域时，像素光学性能才会提升。

这里描述的实施例并不局限于这里给出的特定阻挡体的几何形状。本发明可以扩展成使用能够在电极之上或之间包含连续壁或周边的拉普拉斯阻挡体，而且还可以使用高度未跨越整个通道的拉普拉斯阻挡体。分隔器和突起可以具有部分或者完全跨越通道的变化高度。一些拉普拉斯阻挡体可以驻留在第一和/或第二基底上。只要在本发明的原理内提供了拉普拉斯阻挡体的功能，则所述拉普拉斯阻挡体可以采用多种物理几何形状（圆形、方形、多边形、弯曲状等等）、位置及设置。

这里描述的实施例并不局限于电润湿控制。本发明可以扩展成使用拉普拉斯阻挡体以及电流体方法，包括没有绝缘体的电润湿、注射泵、热毛细、诸如螺砒喃之类的光响应分子、介电泳、电泳以及微电机泵取。例如，共面电泳领域的技术人员将会认识到，诸如形成拉普拉斯阻挡体的分隔器柱之类的突起也可涂覆上表面电荷，这与如何将电荷提供给电泳中的色素或其他类型的分散质相似。结果，可以创建拉普拉斯阻挡体，并且由于色素电荷和拉普拉斯阻挡体上的表面电荷是互斥的，因此，需要第一电压来将绝缘流体中的电泳色素移动至拉普拉斯阻挡体而不超出所述阻挡体。接下来，可以提供更大的第二电压，以便将带电的色素移动到拉普拉斯阻挡体之外。由此，创建真正的双稳态且多位置的共面电泳设备。

示例1

在显示成图21A-22B中的扫描电子显微镜图像的第一示例中，小直径分隔器柱600以及较大直径的拐角分隔器柱602的周边实现为围绕尺寸约为300μmx300μm的电流体显示像素604。多个像素604包括设备606，其中每一个像素604由柱602的周边分开。每一个像素604包括位于电极上方的通道，并且这二者由表面608表示。储液器610和管道612在每一个表面608中形成。

所述流体由包含红色散布色素的极性流体614以及包含若干种混合染料的黑色非极性流体616组成。在将来自电压源（未显示）的电压施加于电极（由表面608表示），极性流体614将被拖出储液器610，并且填充通道（由表面608表示）。然而，由于分隔器柱600，所述极性流体的传播不会超出像素周边。

这里提供的所有图像已由Adobe Systems Inc.(San Jose,CA)的

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示例2

在图22A和22B中显示成显微镜图像的另一个示例包括玻璃基底618，其中该基底具有第一、第二和第三铝电极620、622、624。电极620、622、624涂有2.5μm的SU-8环氧树脂电介质，然后以柱600图案化，其中所述柱的高度约为5μm并且间距约为50μm。柱600涂有50nm的含氟聚合物。添加图中未显示的顶部基底，并且所述设备具有极性614和非极性616流体。非极性流体616包括黑色染料，由此在其覆盖电极620、622、624之一时，电极620、622、624在照片中不可见。

在图22A中，极性流体614以第一电压电润湿，以覆盖第一电极620；然而，第一与第二电极620、622之间的柱600将极性流体614局限于第一电极620。

当从电压源（未显示）向所有电极620、22、624施加更大的第二电压时，极性流体614会通过柱600前进，由此极性流体614覆盖所有电极620、622、624。当去除该电压时，极性流体614保持图22B所示的几何形状。电极622还被显示成用作根据本发明原理的分裂电极。

示例3

在接下来的示例中，虽然没有特别显示，但是使用编织的导线网来替换分隔器柱。所述编织的导线网通过含氟聚合物涂层而具有疏水性的，并且夹置在顶部和底部电润湿板之间。所述网包括30μm导线直径的网，其在导线之间的重叠处的总体厚度是60μm。所述网从TWP Inc.公司购买，它是依照ISO9044编织的，并且网的目数是50（每英寸）。可以发现，所述导线网通过电润湿来实现极性流体移动，并且还能在没有电压的情况下调节极性流体的几何形状。由此，所述导线网还被显示成用作拉普拉斯阻挡体。

示例4

在接下来的示例中，设备630是用多个像素632制成，其中每一个像素与参考图17A描述的设备400相似。图23A-23D是设备630的扫描电子显微镜和光学显微镜照片。像素632由包含拉普拉斯阻挡体的边界分开，其中图23C所示的所述拉普拉斯阻挡体包括多个柱600。

图23A示出的是在储液器636内具有颜色极性流体614以及在通道638中具有非极性流体616的设备630。由此，非极性流体616是可见的。图23B示出的是在极性流体614移经管道640并进入通道638以及由此可见时的设备630。相应地，非极性流体616已经移动到储液器636中（在图23B中不可见）。

使用具有黑色色素的极性流体或具有黑油的非极性流体来论证设备。如所示，所述设备在3个月的时间在任一位置都是双稳态的，并且流体并未移动。所述双稳态测试可以进行更长的时间，但是由于三个月的双稳态性表明所述设备确实是双稳态的（没有流体移动）因此终止所述测试。

示例5

图23C和23D示出作为使用与针对图17A描述的原理相类似的原理制造的的设备630的显微镜图像的下一个示例，但在图23D的光学照片中显示，储液器636包括两行柱642，并且其中每一行具有两个柱，以在每一个储液器636中创建拉普拉斯阻挡体（由于顶部基底和电极是透明的，因此，光学照片可以看到储液器636内）。设备630的操作与图7A的设备206相似，并且拉普拉斯阻挡体需要来自电压源（未显示）的第一电压，以便朝着柱642移动极性流体614（图23A），但是不会使其超出柱642。为了移动极性流体并使其超出柱642，需要大于第一电压的第二电压。结果，设备630显现出灰度重置状态。

现将提供用以创建图23A-23D所示设备的制造过程的进一步细节。1x1”测试像素阵列630以如下方式制造。聚合物膜（聚对二甲苯或SU-8）沉积在涂有In₂O₃:SnO₂的玻璃上，以制成底部电润湿基底650。由于SU-8用作电介质并且还促进下一个聚合物层的粘附，因此SU-8是非常有用的。在底部电润湿基底650上热轧层压（85℃、40PSI、1fpm）DuPont PerMX6干膜光刻胶（20μm），光刻地曝光，以及显影而形成具有450x150μm²的单元以及栅格宽度为30μm的底部栅格（分隔器、拉普拉斯阻挡体、储液器边界）。接下来，中间的PerMX膜（分离层）层压在底部栅格上，并且在像素单元的端部以130×60μm²和130×20μm²的通孔（via）图案化。Al是真空沉积在中间的PerMX层上，用作光学反射器和接地电极。通过中间PerMX层的通孔形成悬空部（overhang），由此不需要Al的图案化来电分离中间PerMX以及底部基底表面上的Al。然后，在栅格几何形状中添加与底部PerMX（分隔器，通道边界）相似的顶部PerMX层。在流体注入前，底部基底650所承载的所有特征都会用Cytonix Fluoropel 1601V以类似的方式浸涂。在涂覆含氟聚合物涂层以及自组装的液体配给之后，设备630由透明的顶部电润湿板（在图中未显示）密封。

这里使用的术语的目的仅仅是描述特定实施例，而不是对本发明进行限制。除非上下文明确指示，否则这里使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”意在包含复数形式。此外还应该理解，本说明书中使用的术语“包含”和/或“包括”表明所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件和/或组件的存在性，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或其群组的存在性或补充。此外，在说明书或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“含有”、“带有”、“包含”或是其变体在一定程度上与开放式的术语“包含”相似，这些术语应该是是包含性的。

虽然本发明已通过其实施例的描述来说明，并且虽然非常详细地描述了这些实施例，但是申请人的意图并不是将所附权利要求的范围局限或以任何方式限制到这些细节。对本领域技术人员来说，附加的优点和修改将是显见的。因此，本发明的较宽方面并不局限于代表设备和方法的具体细节，以及所显示和描述的说明性示例。相应地，在不脱离申请人的主要发明概念的情况，可以偏离这些细节。

Claims (36)

1.一种显示像素，包括：

第一极性流体；

非极性流体；

第一基底；

第二基底，相对于所述第一基底设置以限定出包含所述第一极性流体和所述非极性流体的疏水通道，其中通过所述第一基底或所述第二基底中的至少一个可看见所述第一极性流体或所述非极性流体中的至少一个；

所述第一基底上的第一电极；

所述第一基底与所述第一极性流体之间的电介质层；

所述疏水通道内的第一拉普拉斯阻挡体，所述第一拉普拉斯阻挡体限定出对所述第一极性流体在所述疏水通道内的移动开放的流体通路；以及

与所述第一电极电连接的第一电压源，所述第一电压源配置为对所述第一电极进行电偏置，以使所述第一极性流体在所述疏水通道内相对于所述第一拉普拉斯阻挡体移动，

其中，当所述第一电极由所述第一电压源以小于或等于阈值电压的第一电压进行偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内移动到第一位置以提供第一显示状态，以及当所述第一电极由所述第一电压源以大于所述阈值电压的第二电压进行偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内从所述第一位置移动到第二位置以提供第二显示状态。

2.根据权利要求1所述的显示像素，其中，当以所述第一电压对所述第一电极进行偏置时，所述第一拉普拉斯阻挡体将所述第一极性流体限制在所述第一位置。

3.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括在所述第一基底与第二基底之间延伸的多个疏水分隔器，并且所述多个疏水分隔器设置为具有足以使所述第一极性流体的弯液面具有一曲率半径的间隔。

4.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括突出进入所述疏水通道的至少一个突起部分，并且所述至少一个突起部分使所述第一极性流体的弯液面具有一曲率半径。

5.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括一个或多个疏水分隔器，所述一个或多个疏水分隔器将所述流体通路划分成多个开口，其中每一个开口至少部分由处于所述第二位置的所述第一极性流体占据。

6.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体由暴露表面限制，并且当所述第一极性流体处于所述第二位置并且所述第一电极未被偏置时，所述第一极性流体围绕所述第一拉普拉斯阻挡体的所述暴露表面。

7.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一电压对所述第一极性流体提供电动机械力，所述电动机械力足以通过克服所述第一极性流体内与所述移动相反方向上的拉普拉斯压力而将所述第一极性流体移动到所述第一位置。

8.根据权利要求7所述的显示像素，其中，当去除所述第二电压时，所述拉普拉斯压力使所述第一极性流体从所述第二位置退回。

9.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第二电压对所述第一极性流体提供电动机械力，所述电动机械力足以通过克服拉普拉斯压力以及由第一拉普拉斯阻挡体对所述第一极性流体给出的限制而继续将所述第一极性流体移动到所述第二位置。

10.根据权利要求9所述的显示像素，其中，当所述第一极性流体处于所述第二位置时，所述第一极性流体经受到与所述疏水通道相关的力并且不受其他限制。

11.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

所述疏水通道内的第二极性流体，所述第二极性流体具有至少一个与所述第一极性流体的光频谱属性不同的光频谱属性，并且当以所述第一电压对所述第一电极进行偏置时，所述第一拉普拉斯阻挡体位于所述第一极性流体与所述第二极性流体之间。

12.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

第一储液器，与所述疏水通道流体耦合，并且配置为在与所述第一极性流体从所述第一位置到所述第二位置的的所述移动相反的方向上将拉普拉斯压力施加在所述第一极性流体上。

13.根据权利要求12所述的显示像素，其中，所述第一储液器在所述第一极性流体处于所述第一储液器内时使所述第一极性流体具有的曲率半径大于所述第一极性流体处于所述疏水通道内具有的曲率半径。

14.根据权利要求12所述的显示像素，还包括：

与所述疏水通道流体耦合的第二储液器，使得所述疏水通道在所述第一储液器与所述第二储液器之间延伸；以及

处于所述疏水通道、所述第二储液器或其组合内的第二极性流体，所述第二极性流体具有至少一个与所述第一极性流体的光频谱属性不同的光频谱属性。

15.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

与所述疏水通道流体耦合的第一储液器；以及

由具有反射属性的材料构成的第二电极，

其中，所述第二电极位于所述第一储液器与所述疏水通道之间，并且与所述第一极性流体电耦合。

16.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

与所述疏水通道流体耦合的第一储液器；

位于所述第一储液器与所述疏水通道之间的第二电极；以及

位于所述第二电极与所述第一极性流体之间的第二电介质层。

17.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

第二电极；以及

与所述第二电极电连接的第二电压源，其中当所述第二电极由所述第二电压源以第一电压偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内被划分为在所述第二电极的相对侧的两个容量，当所述第二电极由所述第二电压源以第二电压偏置时，所述第一极性流体的所述两个容量被移动到所述第二电极上并结合，第二电极上的第二电压大于第二电极上的第一电压。

18.根据权利要求17所述的显示像素，还包括：

储液器，与所述疏水通道流体耦合并且配置为在与从所述储液器到所述疏水通道相反的方向上在所述第一极性流体上施加拉普拉斯压力，所述第二电极位于所述疏水通道中并与所述储液器相邻，以使得仅在所述第二电压源以产生出克服所述拉普拉斯压力的电动机械压力的电压进行偏置时，所述储液器中的所述第一极性流体才移动进入所述疏水通道中，

其中，在未以电压对所述第二电极进行偏置或者以所述第一电压对所述第二电极进行偏置时，所述第一极性流体分为位于所述疏水通道中的第一容量以及跨越所述储液器的第二容量，其中所述第一容量和所述第二容量由所述第二电极分开。

19.根据权利要求18所述的显示像素，还包括：

第二拉普拉斯阻挡体，其中所述第二拉普拉斯阻挡体位于所述疏水通道中并与所述第二电极相邻。

20.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

包含非黑色着色剂的第二极性流体，

其中，所述非极性流体包括黑色着色剂，并且所述第一极性流体包括对于所述第二极性流体的所述非黑色着色剂是互补颜色的着色剂。

21.根据权利要求1所述的显示像素，还包括：

设置为与所述第一电极交叉的第二电极；以及

与所述第二电极电连接的第二电压源，

其中，所述第二电压源配置为供应与所偏置的第一电极协作的第三电压，以将所述第一极性流体移动到所述第一位置或所述第二位置。

22.一种显示设备，包括根据权利要求1所述的多个电流体显示像素。

23.根据权利要求22的显示设备，还包括：

处于两个或更多电流体显示像素中的每一个中的第二极性流体；

所述多个电流体显示像素中的第一电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括红色着色剂并且所述第二极性流体包括蓝绿色着色剂；

所述多个电流体显示像素中的第二电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括品红色着色剂并且所述第二极性流体包括绿色着色剂；以及

所述多个电流体显示像素中的第三电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括黄色着色剂并且所述第二极性流体包括蓝色着色剂。

24.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体根据接触角滞后原理进行操作。

25.根据权利要求24所述的显示像素，还包括：

与所述疏水通道流体耦合的第一储液器，其中所述第一拉普拉斯阻挡体能够用于产生滞后压力，所述滞后压力大于所述第一极性流体在所述疏水通道中的拉普拉斯压力与所述第一极性流体在所述第一储液器中的拉普拉斯压力之间的差值。

26.一种制造显示像素的方法，所述方法包括：

通过光刻在第一基底上的光刻胶层中图案化分隔器层；

在所述分隔器层和所述第一基底上层压分离层，其中所述分离层是干膜光刻胶；

通过光刻图案化所述分离层，以形成储液器以及与所述储液器耦合的流体通孔；以及

将第二基底定位在所述第一基底的所述分离层上，以在所述分离层与所述第二基底之间形成疏水通道。

27.一种操作显示像素的方法，所述方法包括：

在电流体像素内将第一极性流体移动到第一位置，以及在所述电流体像素内使非极性流体产生位移来提供第一显示状态；

在所述电流体像素内将所述第一极性流体从所述第一位置移动到第二位置，以及进一步在所述电流体像素内使所述非极性流体产生位移来提供第二显示状态；以及

通过第一拉普拉斯阻挡体将所述第一极性流体限制在所述第一位置，以保持所述第一显示状态。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，移动步骤还包括偏置与所述第一极性流体电耦合的电极。

29.根据权利要求27所述的方法，还包括：

将第二极性流体移动到所述第一拉普拉斯阻挡体，以使得所述拉普拉斯阻挡体处于所述电流体像素内的所述第一极性流体与所述第二极性流体之间。

30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述电流体像素包括第二拉普拉斯阻挡体，所述方法还包括：

将所述第一极性流体移动到在所述第一拉普拉斯阻挡体与所述第二拉普拉斯阻挡体之间的第三位置；

使所述第一极性流体前进至所述第二拉普拉斯阻挡体；以及

将所述第一极性流体移动到第四位置。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述第一极性流体的所述移动不受所述第一拉普拉斯阻挡体限制。

32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第一极性流体位于储液器内，所述方法还包括：

从所述储液器中移出所述第一极性流体并使其进入所述电流体像素。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述电流体像素包括与所述储液器流体耦合的疏水通道以及位于所述储液器与所述疏水通道之间的第二电极，所述方法还包括：

以产生电动机械压力的电压对所述第二电极进行偏置，以从所述储液器中移出所述第一极性流体并使其进入所述电流体像素。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，第二拉普拉斯阻挡体位于所述疏水通道内并且与所述第二电极相邻。

35.根据权利要求27所述的方法，其中，第二电极位于所述电流体像素内，并且电压源耦合至所述第二电极，所述方法还包括：

当由所述电压源以第一电压对所述第二电极进行偏置时，将所述第一极性流体划分为处于所述第二电极的相对侧的两个容量；以及

当由所述电压源以第二电压对所述第二电极进行偏置时，重新聚合所述第一极性流体的所述两个容量，

其中，所述第一电压小于所述第二电压。

36.根据权利要求27所述的方法，还包括：

将所述第一极性流体划分为第一和第二容量，其中所述第一和第二容量中的至少一个处于所述电流体像素内且与所述第一拉普拉斯阻挡体相邻。

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