CN1808208A - 光开关及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光开关及其制作方法。本发明所提供的光开关包括：一基底，其具有一第一通孔；和一与上述基底相配合的梳状驱动结构，其包括一第一梳状电极及一第二梳状电极；其中，第一梳状电极包括一与上述第一通孔相对应的第二通孔及多个第一叉指结构，该第一通孔与第二通孔共同形成光通道；第二梳状电极包括其可与第一叉指结构配合以控制光通道大小的多个第二叉指结构。本发明所提供的光开关，通过第一通孔和第二通孔形成光通道，且通过调变光通道的大小以调变入射光的透过强度，具有高光透过率。避免了现有技术中光开关吸收光能量使投影显示亮度难以提升的问题。且，本发明还提供所述光开关的制作方法。

Description

光开关及其制作方法
【技术领域】
本发明涉及一种光开关及其制作方法，尤其是一种应用于投影显示的光开关及其制作方法。
【背景技术】
液晶(Liquid Crystal Display，简称LCD)投影显示技术是一种数字投影显示技术，其主要采用液晶光开关作为其光调变器件；相对于传统的模拟投影显示技术(如，阴极射线管(Cathode Ray Tube，简称CRT)投影显示技术)，其具有重量轻、体积小等特点。
液晶投影显示技术是利用液晶的光电效应特性，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，产生具有不同灰阶度及颜色的图像。
参见美国专利第4,343,535号，其揭露了一种液晶光开关(Liquid CrystalLight Valve，简称LCLV)。其将液晶材料置于两片贴附有光轴相互垂直的第一及第二偏极片的透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，若电场未形成，光线会顺利地从第一偏极片射入，依液晶分子的排列改变其振动方向，即入射光的极性被调制，然后从第二偏极片射出，即产生“亮”状态；若在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会产生电场，进而影响其间液晶分子的排列，当使其分子棒扭转90度时，入射光通过液晶分子，其极性未改变，因而射出光线的极性与第二偏极片的极性相反，则光线便无法穿透第二偏极片，进而遮住光源，即产生“暗”状态；从而实现数字光开关的功能。并且，其可通过改变施加电场以改变液晶分子棒的扭转角度(即调变光线的极性)，进而通过第二偏极片调制光线的强度，从而可实现多阶灰度。
参见美国专利第6,195,143号及6,697,136号，其揭露的液晶投影显示设备均采用了液晶光开关对入射光的极性及强度进行调变。其所揭露的液晶投影显示设备的基本结构包括照明系统、色彩分光及合光系统、光调变系统及投影系统共四大部分；其工作原理是：光线经由照明系统的灯泡发出，经由色彩分光系统分出红、绿、蓝三色光束，再透过液晶光开关的调变作用，改变各色光的强度，继而由色彩合光系统产生完整的彩色影像，经由投影镜头系统投射至屏幕上，从而完成整个投影显示过程。其中，液晶光开关对入射光极性的调变完全受像素电压的控制。
在液晶投影显示设备中，光源在通过液晶光开关根据像素电压作相应的调变时，由于偏极片与液晶材料对光能量的吸收无法避免，部分光能量被吸收，使得光线的穿透效率偏低；因此，投影显示设备的亮度难以提升；且液晶材料易老化，响应速度较慢。
有鉴于此，有必要提供一种光线穿透率高的光开关，以进一步提升投影显示设备的亮度。
【发明内容】
为解决先前技术中液晶光开关的光线穿透率较低，从而导致投影显示设备的亮度难以提升的不足，本发明的目的在于提供一种光开关，其光线透过率高，以获取高亮度的投影显示设备。
本发明的另一目的在于提供一具有高光线透过率的光开关的制作方法。
为实现本发明的第一目的，本发明提供一种光开关，其包括：一基底，其具有一第一通孔；和一与上述基底相配合的梳状驱动结构，其包括一第一梳状电极及一第二梳状电极；其中，第一梳状电极包括一与上述第一通孔相对应的第二通孔及多个第一叉指结构，该第一通孔与第二通孔共同形成光通道；第二梳状电极包括其可与第一叉指结构配合以控制光通道大小的多个第二叉指结构。
所述第一梳状电极包括一第一侧壁和一第一顶面，上述第二通孔及第一叉指结构形成在该第一顶面上。
所述第二梳状电极包括一第二侧壁和一第二顶面，上述第二叉指结构形成在该第二顶面上。
所述第一侧壁及第二侧壁形成在基底上，大致与基底垂直。
所述第一顶面及第二顶面大致与基底平行。
所述第一叉指结构和第二叉指结构分别间隔交错排布。
所述梳状驱动结构的材质包括金属。
所述金属包括铜、铝、铁。
为实现本发明的另一目的，本发明提供一光开关的制作方法，其包括以下步骤：
在一基底上形成一第一通孔；
在上述具有一第一通孔的基底上形成一梳状驱动结构，其包括一第一梳状电极及一第二梳状电极；其中，第一梳状电极包括一与上述第一通孔相对应的第二通孔及多个第一叉指结构，该第一通孔与第二通孔共同形成光通道；第二梳状电极包括其可与第一叉指结构配合以控制光通道大小的多个第二叉指结构；以形成一光开关。
所述梳状驱动结构的形成方法包括以下步骤：在上述具有一第一通孔的基底上形成一牺牲层；再在上述牺牲层表面形成一金属层；然后将上述金属层制作成一梳状驱动结构，去除上述牺牲层。
所述第一叉指结构和第二叉指结构分别间隔交错排布。
所述第一通孔是通过微影技术及蚀刻形成。
所述梳状驱动结构是通过微影技术及蚀刻形成。
所述梳状驱动结构的驱动方式为静电力驱动。
相对于现有技术，本发明所提供的光开关，通过第一通孔和第二通孔形成光通道，从而避免了光能量被吸收的问题，其具有高光透过率；并且，本发明利用半导体工艺制作光开关，采用静电力可驱动的梳状驱动结构驱动本发明的光开关，其通过调变电压讯号控制第一梳状电极和第二梳状电极的吸合与斥离以调制光通道的大小来调变入射光的透射强度，至少可实现每个颜色8位灰阶度，即256阶灰度。
【附图说明】
图1是相关本发明实施例的透明基底的立体示意图。
图2是透明基底上形成一光遮蔽层的立体示意图。
图3是光遮蔽层上形成有一第一通孔的立体示意图。
图4是形成有一第一通孔的光遮蔽层上形成有一牺牲层的立体示意图。
图5是牺牲层上形成有一金属层的立体示意图。
图6是将金属层制作成梳状驱动结构的立体示意图。
图7是去除牺牲层以形成本发明所提供的光开关的立体示意图。
图8是图7的俯视图。
图9是图7所示光开关处于做动状态下的立体示意图。
图10是图9的俯视图。
【具体实施方式】
下面结合附图将对本发明作进一步的详细说明。
参见图7，本发明所提供的光开关100，其包括：一基底，其包括一透明基底10，和一形成在透明基底10上的光遮蔽层20，该光遮蔽层20具有一第一通孔21；和一与上述基底相配合的梳状驱动结构，其包括一第一梳状电极及一第二梳状电极。该第一梳状电极包括一第一侧壁43，一从第一侧壁43与透明基底10接触端相对的另一端延伸出的第一顶面41。该第一顶面41位于透明基底10之上，且与透明基底10大致平行，第二通孔410及多个第一叉指结构411形成在第一顶面41上，且该第二通孔410与第一通孔21形成一光通道。该第一侧壁43形成在透明基底10上，并与其大致垂直。该第二梳状电极包括一第二侧壁44，一从第二侧壁44与透明基底10接触端相对的另一端延伸出的第二顶面42。第二侧壁44形成在透明基底10上，且与其大致垂直；第二顶面42形成在透明基底10上，且与透明基底10大致平行，多个第二叉指结构421形成在第二顶面42上，其可与第一叉指结构411配合以控制光通道的大小。第一叉指结构411与第二叉指结构421分别间隔交错排布，并在静电力驱动下可相互吸合或排斥以改变光通道的大小。优选的，第一叉指结构411和第二叉指结构421的叉指长度不小于第一通孔21及第二通孔410叉指长度方向的宽度。优选的，第一侧壁43的厚度足够小，第二侧壁44的厚度足够大；在两者之间施加电压产生静电力时，第一侧壁43可挠，而第二侧壁44不可挠。可替换的，第一侧壁43及第二侧壁44的厚度适宜，两者均可挠。
上述透明基底10具有较好的透光性，本实施例中选用二氧化硅；光遮蔽层20的材质具有光不可透过的特性，可为金属材料，如铝、铜、铁等，本实施例中采用铜；而梳状驱动结构的材质，其具有可导电性、光不可透过性等特性，可为金属材料，如铝、铜、铁等，本实施例中采用铝。
可替换的，亦可以直接采用不透光、不导电的基底替代上述透明基底10及光遮蔽层20。该基底可为磷、砷、镓等化合物半导体；可直接在基底上形成一第一通孔，并与第一梳状电极的第二通孔形成光通道，通过静电力驱动下，第一叉指结构411与第二叉指结构421可相互吸合或排斥以改变光通道的大小。
当其对入射光进行调变时，在第一梳状电极与第二梳状电极间施加一调变电压讯号，进而在第一叉指结构411与第二叉指结构421间形成静电力；在静电力的驱动下，第一梳状电极可被第二梳状电极吸合或斥离(可参见李勇、李玉和等在《清华大学学报(自然科学报)》Vol.43，No.8(2003)中的“计及边缘效应的非平行梳状驱动器的静电力计算”一文)，从而使由第一通孔21与第二通孔410构成的光通道50的大小被调制(参见图10)；入射光经由基底的第一通孔入射，再经由光通道50出射，其透过强度被调制，最终可获得不同亮度的光点，即可实现多阶灰度。本发明所提供的光开关，通过对调变电压讯号的脉冲宽度的控制，其至少可实现8位256阶灰度。
本发明所提供的光开关100的具体做动原理如下：在第一梳状电极与第二梳状电极间施加一调变电压讯号。当无脉冲讯号产生时(如图7所示)，第一叉指结构411与第二叉指结构421间无静电力产生，第一梳状电极将不被第二梳状电极吸合或斥离；此时光通道50最大(如图8所示)，经由基底的第一通孔入射的光束，其从光通道50透过的强度最大；即产生“最亮”状态。
当有脉冲讯号产生时(如图9所示)，第一叉指结构411与第二叉指结构421间有静电力产生，第一梳状电极将被第二梳状电极吸合；此时光通道50的大小被改变(如图10所示)，经由基底的第一通孔入射的光束，其从光通道50透过的强度变小；即产生“暗”状态。控制调变电压脉冲讯号的宽度，其可使第一梳状电极被第二梳状电极吸合而使光通道50关闭，即产生“最暗”状态。
若将本发明所提供的光开关100组合成阵列形成以应用于投影显示设备的光学调变系统，当将像素调变电压讯号加至每个光开关的第一梳状电极与第二梳状电极间，将在每个光开关单元的第一叉指结构和第二叉指结构间产生静电力，通过静电力的驱动以调制每个光开关的光通道大小，从而控制每个光开关单元的透过光强度，即决定投影显示的像素的灰度，进而可形成一完整的图像。若控制光源的色彩为RGB(红绿蓝)三原色组合，可获取全彩的投影显示效果。
参见图1～图7，本发明所提供的光开关可用以下半导体工艺获得，其包括以下步骤：
第一，提供一透明基底10，其具有良好的透光性；本实施例中采用二氧化硅；在上述透明基底10上沉积一光遮蔽层20，其可阻挡经由透明基底10的入射光线透过；其材质可为金属材料，如铜、铝、铁等，本实施例中采用铜；
第二，采用微影技术和蚀刻在上述光遮蔽层20上形成一第一通孔21，其通过通孔的大小限制透过透明基底10的入射光线通过光遮蔽层20的光束大小；其具体步骤为：首先在光遮蔽层20上形成一掩模层，采用微影技术在上述掩模层上形成一图案结构；然后采用蚀刻技术刻蚀掉图案结构并蚀穿光遮蔽层20，再去除掩模层，即可获得第一通孔21；
第三，在上述形成一第一通孔21的光遮蔽层20表面沉积一牺牲层30，其可为半导体材料，如硅、碳化硅、氮化硅等，本实施例中采用硅；牺牲层30完全覆盖光遮蔽层20，第一通孔21和光遮蔽层20的侧边；牺牲层30的沉积厚度为10μm～1000μm，优选为50μm～500μm；
第四，在上述牺牲层30的上表面和一对称的两个侧面沉积一金属层40(如图5所示)，金属层40的侧面与透明基底10大致垂直；金属层40的材质可为铜、铝、铁等，本实施例中选用铝，其至少有一侧与光遮蔽层20不接触；
第五，采用微影技术和蚀刻将上述金属层40制作成一梳状驱动结构(参见图6)，该梳状驱动结构由一第一梳状电极和一第二梳状电极构成。该第一梳状电极包括一第一侧壁43，一从第一侧壁43与透明基底10相接触端相对的另一端延伸出的第一顶面41，和形成在第一顶面41上且与上述第一通孔21相对应的第二通孔410和多个第一叉指结构411，第二通孔410与第一通孔21相互重叠，形成一光通道。该第二梳状电极42包括一第二侧壁44，一从第二侧壁44与透明基底10相接触端的相对的另一端延伸出的第二顶面42，和形成在第二顶面42上且可与第一叉指结构411配合以控制光通道大小的多个第二叉指结构421。优选的，第一叉指结构411与第二叉指结构421的叉指长度不小于第二通孔410叉指长度方向的宽度，第一叉指结构411与第二叉指结构421分别间隔交错排布，并在静电力驱动下可相互吸合或排斥以改变光通道的大小。优选的，控制第四步骤中金属层40的沉积过程，使第一侧壁43的厚度足够小，第二侧壁44的厚度足够大，致使两者在静电力的驱动下，第一侧壁43可挠，第二侧壁44不可挠。可替换的，第一侧壁43与第二侧壁44的厚度适宜，两者均可挠。
第六，采用蚀刻技术，如反应离子蚀刻、湿法蚀刻、电浆蚀刻等技术将牺牲层30去除，但不损伤光遮蔽层20及金属层40；从而形成本发明所提供的光开关100。
相应的，当直接采用不透光、不导电的基底替代上述透明基底10与光遮蔽层20；本发明所提供的光开关的制作方法的不同点在于直接在基底上形成一第一通孔，而无须再沉积光遮蔽层20。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如采用其它材质透明基底及其它材质光遮蔽层以用于本发明等设计。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种光开关，其包括：一基底，其具有一第一通孔；和一与上述基底相配合的梳状驱动结构，其包括一第一梳状电极及一第二梳状电极；其中，第一梳状电极包括一与上述第一通孔相对应的第二通孔及多个第一叉指结构，该第一通孔与第二通孔共同形成光通道；第二梳状电极包括其可与第一叉指结构配合以控制光通道大小的多个第二叉指结构。
2.如权利要求1所述的光开关，其特征在于所述第一叉指结构和第二叉指结构分别间隔交错排布。
3.如权利要求1所述的光开关，其特征在于所述梳状驱动结构的材质包括金属。
4.如权利要求3项所述的光开关，其特征在于所述金属包括铜、铝、铁。
5.如权利要求1所述的光开关，其特征在于所述第一梳状电极包括一第一侧壁和一第一顶面，上述第二通孔和第一叉指结构形成在该第一顶面上。
6.如权利要求1项所述的光开关，其特征在于所述第二梳状电极包括一第二侧壁和一第二顶面，上述第二叉指结构形成在该第二顶面上。
7.如权利要求5项所述的光开关，其特征在于所述第一侧壁形成在基底上，其大致与基底垂直；第一顶面大致与基底平行。
8.如权利要求6项所述的光开关，其特征在于所述第二侧壁形成在基底上，其大致与基底垂直；第二顶面大致与基底平行。
9.一种光开关的制作方法，其包括以下步骤：在一基底上形成一第一通孔；在上述具有一第一通孔的基底上形成一梳状驱动结构，其包括一第一梳状电极和一第二梳状电极；其中，第一梳状电极包括一与上述第一通孔相对应的第二通孔和多个第一叉指结构，该第一通孔与第二通孔共同形成光通道；第二梳状电极包括其可与第一叉指结构配合以控制光通道大小的多个第二叉指结构。
10.如权利要求9所述的光开关的制作方法，其特征在于所述梳状驱动结构的形成方法包括以下步骤：在上述具有一第一通孔的基底上形成一牺牲层；在上述牺牲层表面形成一金属层；将上述金属层上制作成一梳状驱动结构；去除上述牺牲层。
11.如权利要求9所述的光开关的制作方法，其特征在于所述梳状驱动结构的驱动方式为静电力驱动。
12.如权利要求9所述的光开关的制作方法，其特征在于所述第一通孔是通过微影技术及蚀刻形成。
13.如权利要求10所述的光开关的制作方法，其特征在于所述梳状驱动结构是通过微影技术及蚀刻形成。
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