CN1280669C - 一种微机械像素的机电显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种机电显示的技术领域，特别涉及一种微电脑控制的微型机电显示方法的装置，动态显示黑白文字图象信息。主要原理是，每个像素由细小的微型机械(MEMS)构成，利用材料对外部入射光反射或吸收的特性，形成黑或白两种稳定状态。显示时，由微电脑输出文字图像的数字化电子信号，控制微喷头或者微打击头对像素施加机械力，使其产生微小位移改变显示状态并靠磁力作用保持住，达到视觉效果。显示质量稳定清晰，如白纸黑字，克服了光电显示器件CRT、LCD、LED等闪烁、辐射、不能断电、体积大及价格高的缺点。可作为传统书籍和小型告示牌的电子替代品。

Description

一种微机械像素的机电显示装置

技术领域

本发明属于一种机电显示的技术领域，特别涉及一种由微电脑控制微机电打击头对微型机械显示单元施加机械力改变显示状态的装置，适合动态显示黑白文字图象信息。(计算机图形学和计算机图像学专业术语把“显示单元”称为：“像素”，以下把“微型机械显示单元”称为“微机械像素”。)

背景技术

传统书籍借助印刷机或打印机把印刷油墨(这里把最小可见单位墨滴称为像素，如，喷墨打印机喷嘴一次喷出的墨滴，针式打印机的打印针一次撞击纸张后所留下的墨迹)永久性的存留在纸面上，可得到精美清晰的图案。书籍的纸张成本不高，轻薄柔软，便于携带，无需耗电即可阅读，视觉全方位可见，但固定的文字在纸上经印刷后，就永久性保存下去，不利于信息更新，何况消耗纸张的做法造成了木材和水资源的极大浪费。现代动态信息媒体的可读性，是以新闻纸作为参考标准的，一幅光滑、清晰的图案需要高分辨度和高黑白对比度，而适应多种环境光照条件最好是反射型显示。动态显示器如CRT或液晶(LCD)的字形及大小可变换，阅读时可刷新，并可快速查询、检索感兴趣的内容。但是成本太高，必须消耗电能维持显示，不便于携带，显示质量远远达不到新闻纸规范，有视角依赖性或闪烁、辐射等。现代社会的信息需求量呈爆炸性的增长，作为人—机交互设备，从可读性上说，已有光电显示器目前还不能替代传统的印刷书本。

近来，国外正积极开发代替纸张的动态黑白显示技术，称为“电子纸”或“电子墨水”。美国E-Ink公司的E_ink和美国Xerox公司的Gyricon是其中的典型。参阅相关的美国专利文件：U.S.Pat.No.4,126,854，(Sheridon，”Twisting Ball Panel Display”)；U.S.Pat.No.6,055,091，(Sheridon，”Twisting-Cylinder Display”)；U.S.Pat.No.5,914,805，(Crowley，”Gyricon Display with Interstitially Packed Particles”)；U.S.Pat.No.6,124,851，(Jacobson，”Electonic Book with Multiple PageDisplays”)；U.S，Pat.No.6,120,588，(Jacobson，”ElectronicailyAddressable Microencapsulated Ink and Display Thereof)；U.S，Pat.No.6,262,833 B1，(Loxley，Comisky，”Capsules for Electrophoretic Displaysand Methods for Making the Same”)。Gyricon的每个像素是密封在透明塑料里的带电小球，小球浸泡在液体中，小球的一半带正电，另一半带负电，两半的颜色不同。在电场作用下，小球会旋转。至于是那一面显示，由所加电场的极性决定。所以可以用电信号控制黑白的图案。E_ink的像素是一种非常微小的透明树脂胶囊，胶囊内充满透明液体，其中悬浮着黑白两种微粒：黑色是带负电的碳，白色是带正电的氧化钛。将这种胶囊涂到胶片上，在其下部设置电极。根据“电泳”现象，在电极上加电时氧化钛和碳就会上下运动，从而会出现黑白图案。这两种技术的显示屏看上去和普通的纸张相似，靠反射光阅读，显示质量达到新闻纸规范，没有液晶的视角依赖性，其显示内容断电后不丢失，所以可实现超低耗电。电极驱动采用有源矩阵电路，可直接使用液晶显示器的TFT底板，所以价格接近TFT LCD。这类器件要想取代廉价的纸张，降低成本是关键。

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种不同于传统光电技术、印刷技术、“电子纸”及“电子墨水”技术的反射型微机电黑白显示技术。新的方式兼有二者的优点，而摈弃其缺点。本发明技术的装置，文字或图像不因掉电而消失，同时又可以刷新屏幕，更新信息或者改变字体大小；人们阅读时感到如同新闻纸那样的稳定舒适，无视觉依赖性，无闪烁、无眼睛不适；不产生纸张消耗品，有益环保；不使用复杂的大面积驱动电路，制作成本比“电子纸”、“电子墨水”的TFT底版低；同时不失轻巧、方便携带的优点。本发明产品是一种新型电子或机械书籍和小型告示牌。

本发明的目的可以采用以下技术措施来实现：

本发明的微机电黑白显示方法有一个核心概念——微机械像素，显示功能形成借助于：一是利用电能转换为机械能并使微机械像素做功，二是利用微机械像素的构成材料对入射光有不同的吸收和反射特性得到黑白两种状态，三是利用磁性材料使黑白显示能够稳定维持。

印刷机或打印机是将电能转换为机械做功，纸面上的墨迹固定不变。本方法的微打击头使微机械像素做机械功；造成微机械像素内部构成的相对位置改变，由于构成材料的光学性质不同，相对位置改变引起入射光的吸收和反射特性互换；最终在透明屏幕上出现显示的效果。这里使用两种相反作用的机械力对微机械像素中的光吸收部分做功：一种推动它产生向上位移贴近透明板，形成一个高吸收光的显示状态；而另一种吸引它向下位移远离透明板，被反射光的部分遮挡，形成一个高反射光的非显示状态。此外，由于构成材料的磁性，在下一动作到来之前，显示或非显示可以一直保持，这就是黑白的双稳态。

一种微机械像素的机电显示装置主要由一个透明板，大规模数量的微机械像素(称为：PIX_MEMS)，一个微机电打击头，一个磁铁模块，一个微电脑中心控制单元(称为：CPU)，一个存储器所构成。

其中一个透明板是显示平面，大规模数量的微机械像素构成大规模数量的显示单元，一个微机电打击头击打大规模数量的微机械像素使其向透明板移动一段距离，一个磁铁模块使大规模数量的微机械像素复位到打击前的状态，一个微电脑中心控制单元控制一个微机电打击头的动作，一个存储器存储需要显示的内容，其内容由微电脑中心控制单元根据显示需要读取。

微机电打击头可以是微喷或微机械打印头。利用微机电系统(MEMS)硅加工技术，一个微机电打击头可包含大量微喷嘴或者大量微打印针，排列结构是显示汉字点阵n*n(n行，n列)的形式，n至少大于8。

每个PIX_MEMS由一个反射腔，一个磁性薄膜，一个显示杆，一个显示杆固定件，一个支撑杆，一个支撑杆固定件，一个像素底座所构成。反射腔内除普通空气外充有一些磁性碎薄片。所有反射腔连成一体，所有磁性薄膜连成一体，所有显示杆固定件连成一体，所有的支撑杆固定件连成一体，所有的像素底座连成一体。

结构上，透明板的下面粘接反射腔，反射腔下面又粘接磁性薄膜，磁性薄膜下面又粘接显示杆固定件，显示杆固定件下面又粘接支撑杆固定件，支撑杆固定件下面又粘接像素底座。每个显示杆下面粘接一个支撑杆。显示杆套进显示杆固定件后有间隙，支撑杆套进支撑杆固定件后有间隙，支撑杆套进像素底座后作间隙配合。

整个PIX_MEMS由塑料和金属非硅材料制成，各部分零件的形状、大小尺寸如下(长度单位为微米μm，1mm(毫米)＝1000μm)：

反射腔由白色高反射率塑料制成，是圆形或者正多边形的孔，圆形孔的直径或者正多边形孔的对角长度为50-250μm，反射腔高为100-250μm；

反射腔的壁厚比起腔的尺寸是很小的，它决定了相邻的微机械像素间距，大约为反射腔大小的1/20-1/10；

磁性薄膜由白色高反射率磁性材料制成，截面形状大小与反射腔相同，高度为50-100μm；

磁性碎片由白色高反射率的磁性或者导磁材料制成，无固定形状，其长、宽、高三维尺寸皆在10-20μm；

显示杆由黑色高吸收率硬质塑料制成，是直径为30-200μm，高度为200-500μm的圆柱体；

显示杆固定件是由硬质材料制成的圆孔，显示杆套进显示杆固定件后有间隙，显示杆固定件高度与显示杆相同；

支撑杆由磁性或者导磁的硬质材料制成的圆柱体，直径略小于显示杆，高度与显示杆相同；

支撑杆固定件是由带磁性的硬质材料制成圆孔，支撑杆套进支撑杆固定件后有间隙，支撑杆固定件高度与磁性薄膜相同；

像素底座是由硬质材料制成圆孔，支撑杆套进像素底座后作间隙配合，像素底座高度与支撑杆相同。

本发明装置的技术原理如下：

当需要显示新内容时，微电脑中心控制单元读取存储器的数据，并控制微机电打击头逐行、逐列运动，推动每个对应的PIX_MEMS的支撑杆，使显示杆位移接近透明板，支撑杆受支撑杆固定件的磁力保持其状态。由于显示杆吸收透明板上方入射的散射光，使透明板持久显示黑色。当需要清空原显示内容时，微电脑中心控制单元不读取存储器，只控制磁铁模块逐行、逐列运动，吸引每个对应的PIX_MEMS的支撑杆，使显示杆回到反射腔和磁性薄膜的下方，支撑杆依靠支撑杆固定件的磁力保持住，由于反射腔和磁性碎片充分反射入射的散射光，透明板持久显示白色。

利用现代微机电系统(MEMS)可以在很小体积内的硅材料上集成大量的机械、电气元件，制成包含大量微喷嘴或微打印针的微机电打击头。这样可以从存储器里一次并行读取一个点阵汉字n*n(n行，n列的像素)的数据，这里n通常为16、24、32、64。每次由CPU控制微喷或微打击头按照点阵汉字的“行”、“列”，把n*n比特的数据并行输入给微喷或微打击头。相应的，每个微机电打击头在显示最小高分辨汉字的面积内包含n*n点阵的微喷嘴或者微打印针，各个微喷嘴或者微打印针受一个信号控制，同时对n*n个PIX_MEMS的支撑杆实施作用力。从而大大提高速度，满足实用化要求。

本发明的积极效果：

本发明对比印刷机、打印机有如下优点：不需要纸张这样的消耗品，利于环境保护；动态显示，可以按照需要随意更新、放大或缩小图案信息；可以存储很大的信息量，具备查询、检索功能。

本发明对比光电显示器件有如下的优点：结构简单，比传统的CRT、LCD显示器更轻便，省电；制造材料比液晶LCD显示器更普通广泛；结构单一，易于机械加工成型，适合批量生产；由于微机械像素采用高反射光和高吸收光的材料特性，显示状态无需靠电能维持，可读性好，显示质量像白纸黑字一样清晰稳定，适合人的视觉享受。

本发明对比Gyricon和E_ink有几个特点：微机械像素的工作是纯机械的，是靠机械力如微喷、微打击头作用，施加到PIX_MEMS，并靠机械力如磁力保持，耗电少；驱动方面的显著优点是不使用液晶TFT底版；加工方面微机械像素大量使用塑料、金属等非硅材料纯机械工艺，只有微喷或微打印头是小面积上的机电集成的硅材料加工工艺，对比Gyricon和E_ink采用与LCD TFT同样的大面积硅材料加工，可以大大降低制造成本。

根据以上的原理性描述，充分展现一种微机械像素的机电显示装置的反射型机电动态黑白显示的方法。下面是一个典型的具体实用性装置。

附图说明

图1一种微机械像素的机电显示装置原理框图；

图2大规模数量的PIX_MEMS结构剖面图；

图3微机械像素零件图。

具体实施方式

下面结合附图的实施例进一步阐述本发明思想。

图1为一种微机械像素的机电显示装置原理框图。该装置由一个透明板1，大规模数量的微机械像素(称为：PIX_MEMS)2，一个微机电打击头3，一个磁铁模块4，一个微电脑中心控制单元(称为：CPU)5，一个存储器6所构成。

其中一个透明板1是显示平面，大规模数量的PIX_EMS 2构成大规模数量的显示单元，一个微机电打击头3击打大规模数量的PIX_EMS 2使其向透明板1移动一段距离，一个磁铁模块4使大规模数量的PIX_MEMS 2复位到打击前的状态，一个CPU 5控制一个微机电打击头3的动作，一个存储器6存储需要显示的内容，其内容由CPU 5根据显示需要读取。

微机电打击头3可以是微喷或微机械打印头。利用微机电系统(MEMS)硅加工技术，一个微机电打击头3包含大量微喷嘴或者大量微打印针，它们排列结构是显示汉字点阵n*n(n行，n列)的形式，本例中，n为24。

图2为大规模数量的PIX_MEMS 2结构剖面图。每个PIX_EMS 2包含一个反射腔7，一个磁性薄膜8，若干磁性碎薄片9，一个显示杆10，一个显示杆固定件11，一个支撑杆12，一个支撑杆固定件13，一个像素底座14。

结构上，透明板1的下面粘接反射腔7，反射腔7的下面又粘接磁性薄膜8，磁性薄膜8的下面又粘接显示杆固定件11，显示杆固定件11的下面又粘接支撑杆固定件13，支撑杆固定件13下面又粘接像素底座14，每个显示杆10的下面粘接一个支撑杆12；显示杆10套进显示杆固定件11后有间隙，支撑杆12套进支撑杆固定件13后有间隙，支撑杆12套进像素底座14作间隙配合。反射腔7内充有一些磁性碎薄片9。所有反射腔7连成一体，所有磁性薄膜8连成一体，所有显示杆固定件11连成一体，所有的支撑杆固定件13连成一体，所有的像素底座14连成一体。整个PIX_MEMS 2由塑料或金属非硅材料制成。

图3为微机械像素2零件图。各元件的材料要求、几何形状以及尺寸范围如下(长度单位为微米μm，1mm＝1000μm)：

见图3(a)，反射腔7由白色高反射率塑料制成，是直径为L1为120μm，柱体的高L2为150μm的圆孔；磁性薄膜8由白色高反射率磁性材料制成，截面形状大小与反射腔7相同，高度为L3为50μm；另外，图中没有画出的磁性碎片9由白色高反射率磁性制成，形状为球形，直径为15μm。

见图3(b)，显示杆10由黑色高吸收率硬质塑料制成，是直径L4为100μm，高度L5为350μm的圆柱体；显示杆固定件11是由硬质材料制成的圆孔，显示杆10套进显示杆固定件11后有间隙，高度为L5。

见图3(c)，支撑杆12由带磁性的硬质材料制成的圆柱体，直径L6＝80μm，高度为L5的圆柱体；支撑杆固定件13是由带磁性的硬质材料制成圆孔，支撑杆12套进支撑杆固定件13后有间隙，支撑杆固定件13的高度为L3；像素底座14是由硬质材料制成圆孔，支撑杆12套进像素底座14后作间隙配合，像素底座的高度为L5。

技术原理如下：

一种微机械像素的机电显示装置，在未显示信息时的复位初始状态，微电脑CPU 5不读取存储器6中的数据，也不送控制信号到微机电打击头3，所有的显示杆10和支撑杆12都处于在反射腔7的下方。显示杆10和支撑杆12还处于磁性薄膜8和磁性碎薄片9的下方。由于支撑杆12带有磁性和支撑杆固定件13带有磁性，所以显示杆10不会改变位置，并且由于反射腔7和磁性碎薄片9把透明板1上方入射的散射光反射回去，从透明板1上方看到白色。

需要显示信息时，存储器6存储像素的二进制“0”或“1”的信息，CPU 5根据显示内容取出存储器6相应单元中的一比特数据，输入给微机电打击头3，并控制微机电打击头3走到适当位置，微机电打击头3根据数据内容决定是否对支撑杆12喷射气流或机械打印。如果二进制数为“1”，微机电打击头3便喷射气流或机械打印到支撑杆12，支撑杆12受力后推动显示杆10向上位移一段距离，并借助支撑杆固定件13的磁力使支撑杆12保持稳定，同时显示杆10将磁性碎片9顶开，并吸收来自透明板1上方的散射光，于是，在透明板1的入射光一侧表现为黑色，该象素显示信息。

需要对现有显示清空原理如下：磁铁模块4受CPU 5控制逐行、逐列运动，吸引每个对应的PIX_MEMS 2的支撑杆12，使支撑杆12回到反射腔7和磁性薄膜8的下方，并依靠支撑杆固定件13的磁作用力保持这种机械状态，这时入射的散射光被反射腔7和磁性薄膜8和磁性碎片9反射，从透明板1上方看到空白显示。

为显示大规模像素构成的文字图像，本发明方法需要一个透明板1和大规模数量的PIX_MEMS 2，即大规模的反射腔7、磁性薄膜8、显示杆10、支撑杆12以及大规模数量的显示杆固定件11和支撑杆固定件13；一个显示杆10配合一个显示杆固定件11，一个支撑杆12配合一个支撑杆固定件13。所需数量根据显示器面积和分辨精度来定。每次由CPU 5顺序控制存储器6的读数和微机电打击头3，按照数据内容决定是否实施作用力到某一个支撑杆12，直到显示完整个屏幕。

利用现代微机电系统(MEMS)可以在很小的体积上集成大量的机械、电气元件，可以制成包含大量微喷嘴或微打印针的微机电打击头3。CPU 5可以从存储器6里一次并行读取一个点阵的数据，按照新闻纸汉字显示的规范，为达到字体大小3.5mm(毫米)、有光滑的笔画，通常采用24*24点阵(24行，24列的像素)，即576比特的并行数据。每次由CPU 5控制微机电打击头3按照字体大小3.5mm汉字的“行”、“列”，而不是比特数据的行、列运动，把576比特的数据并行输入给微喷3。相应的，每个微机电打击头3在3.5*3.5mm²的面积内包含一个24*24＝576个点阵微喷嘴或者微打印针，各个微喷嘴或者微打印针受一比特数据的信号控制，对3.5*3.5mm²面积大小的576个PIX_MEMS 2的支撑杆12实施作用力。从而一次可以显示一个3.5mm的汉字，大大提高速度，满足实用化要求。

本发明容易加工制造室内、外黑白文字图像告示牌，代替当前流行的发光二极管(LED)显示牌。把一种微机械像素的机电显示装置接上通信接口、键盘、鼠标器等标准外设，可以由另外的计算机发出指令和数据，在一种微机械像素的机电显示装置的动态显示屏上实时显示。

Claims (6)

1、一种微机械像素的机电显示装置，其特征在于一个透明板，大规模数量的微机械像素，一个微机电打击头，一个磁铁模块，一个微电脑中心控制单元，一个存储器所构成；其中一个透明板是显示平面，每个微机械像素由一个反射腔，一个磁性薄膜，一个显示杆，一个显示杆固定件，一个支撑杆，一个支撑杆固定件，一个像素底座所构成，大规模数量的微机械像素构成大规模数量的显示单元；一个微机电打击头击打大规模数量的微机械像素使其向透明板移动一段距离，一个磁铁模块使大规模数量的微机械像素复位到打击前的状态，一个CPU控制一个微机电打击头的动作，一个存储器存储需要显示的内容，其内容由CPU根据显示需要读取。

2、根据权利要求1所述的一种微机械像素的机电显示装置，其特征在于：

所有反射腔连成一体，所有磁性薄膜连成一体，所有显示杆固定件连成一体，所有的支撑杆固定件连成一体，所有的像素底座连成一体，结构上，透明板的下面粘接反射腔，反射腔下面又粘接磁性薄膜，磁性薄膜下面又粘接显示杆固定件，显示杆固定件下面又粘接支撑杆固定件，支撑杆固定件下面又粘接像素底座，每个显示杆下面粘接一个支撑杆，显示杆套进显示杆固定件后有间隙，支撑杆套进支撑杆固定件后有间隙，支撑杆套进像素底座后作间隙配合，整个微机械像素由塑料和金属非硅材料制成。

3、根据权利要求1所述的一种微机械像素的机电显示装置，其特征在于：

反射腔由白色高反射率塑料制成，是圆形或者正多边形的孔，圆形孔的直径或者正多边形孔的对角长度为50-250μm，反射腔高为100-250μm；

显示杆由黑色高吸收率硬质塑料制成，是直径为30-200μm，高度为200-500μm的圆柱体；

显示杆固定件是由硬质材料制成的圆孔，显示杆套进显示杆固定件后有间隙，显示杆固定件高度与显示杆相同；

支撑杆由磁性或者导磁的硬质材料制成的圆柱体，直径略小于显示杆，高度与显示杆相同；

支撑杆固定件是由带磁性的硬质材料制成圆孔，支撑杆套进支撑杆固定件后有间隙，支撑杆固定件高度与磁性薄膜相同；

像素底座是由硬质材料制成圆孔，支撑杆套进像素底座后作间隙配合，像素底座高度与支撑杆相同。

4、根据权利要求1所述的一种微机械像素的机电显示装置，其特征在于：

反射腔内充有一些磁性或者导磁的碎薄片，磁性薄膜由白色高反射率磁性材料制成，截面形状大小与反射腔相同，高度为50-100μm，磁性碎片由白色高反射率的磁性或者导磁材料制成，无固定形状，其长、宽、高三维尺寸皆在10-20μm，并大于显示杆套进显示杆固定件后的间隙。

5、根据权利要求1所述的一种微机械像素的机电显示装置，其特征在于：

微机电打击头是微喷或微机械打印头，利用微机电系统硅加工技术，一个微机电打击头包含大量微喷嘴或者大量微打印针，排列结构是按照字体大小2.5--4.5mm汉字点阵n*n的形式，n至少大于8，各个微喷嘴或者微打印针受一比特数据的信号控制，对n*n个微机械像素的支撑杆实施作用力。

6、据权利要求1所述的一种微机械像素的机电显示装置，其特征在于：

每次由CPU控制微机电打击头按照字体大小2.5-4.5mm汉字的“行”、“列”，而不是比特数据的行、列运动，把n*n比特的数据并行输入给微机电打击头，n至少大于8。

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