DE112010004339B4

DE112010004339B4 - Einheit eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems

Info

Publication number: DE112010004339B4
Application number: DE112010004339T
Authority: DE
Inventors: Guy Cohen; David James Frank
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: GB2487316B; WO2011057844A1; US8314983B2; GB201203673D0; US20110109952A1; US8681409B2; CN102712461B; TW201134751A; GB2487316A; TWI472476B; DE112010004339T5; CN102712461A; US20120293236A1

Abstract

Es wird eine Einheit eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems bereitgestellt, welche eine Kragarmstruktur umfasst, die einen Balken umfasst, der eine anfängliche Form aufweist, welche an dessen einem Ende von einem Trägersockel getragen wird, und ein Balkenbiegeelement umfasst, welches ein Phasenwechselmaterial (PCM) umfasst, das in einem nicht gleitenden Zustand mit dem Material des Balkens an einem Abschnitt des Balkens angeordnet ist, wobei das PCM eine aus einer amorphen Phase oder einer kristallinen Phase annimmt und den Balken gegenüber der anfänglichen Form verbiegt, wenn es die kristalline Phase annimmt.

Description

HINTERGRUND
Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein reflektierendes Anzeigesystem aufweisend ein nichtflüchtiges nanoelektromechanisches System (NEMS).
Typischerweise benötigen Einheiten eines nanoelektromechanischen Systems (NEMS) Strom, um einen Schaltvorgang durchzuführen, und sobald der Strom abgeschaltet wird, fallen die Einheiten typischerweise in ihren ausgeschalteten Zustand zurück. Als Ergebnis benötigt ein System auf NEMS-Basis auch in Bereitschaftszuständen Strom, um seinen Schaltstatus aufrecht zu erhalten.
Während der Lebensdauer eines gegebenen Systems, bei dem NEMS-Einheiten verwendet werden, entsteht dadurch, dass die Einheit durchgängig Strom benötigt, um den Schaltzustand aufrecht zu erhalten, ungeachtet dessen, ob in den NEMS-Einheiten tatsächlich zwischen Zuständen geschaltet wird, ein großer Strombedarf. Überdies könnte ein plötzlicher und/oder unerwarteter Stromverlust zu einem entsprechenden Datenverlust führen, wenn die NEMS-Einheiten in ihre ausgeschalteten Zustände zurückfallen können.
Nanoelektromechanische Systeme sind unter anderem aus der Druckschrift WO 2009/128048 A1 bekannt, in der ein anpassbarer Kondensator und Schalter unter Nutzung eines MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) beschrieben wird. In ähnlicher Weise bezieht sich Druckschrift US 7522029 B1 auf einen Aktuator, der durch ein Phase-Change-Material (PCM) kontrolliert wird, bei dem ein Balken von dem PCM angetrieben wird, ohne dass das PCM sich auf dem Balken befindet. Schließlich ist in der Druckschrift US 2001/0010488 A1 ein bistabiler Mikroschalter, der mithilfe von Shape-Memory-Alloy-(SMA)-Elementen betrieben wird, beschrieben.
Keine dieser Beschreibungen von MEMS nimmt Bezug auf ein reflektierendes Anzeigesystem. Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann ein Bereitstellen eines reflektierenden Anzeigesystems, das selbstkontrollierend ist, angesehen werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird ein reflektierendes Anzeigesystem gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Das reflektierende Anzeigensystem weist Einheiten eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems auf, welche eine Kragarmstruktur, die einen Balken, der an dessen einem Ende von einem Trägersockel getragen wird, und ein Balkenbiegeelement umfasst, welches ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) umfasst, das in einem nicht gleitenden Zustand mit einem Material des Balkens auf einem Abschnitt des Balkens angeordnet ist, wobei das PCM eine aus einer amorphen Phase oder einer kristallinen Phase annimmt und den Balken gegenüber seiner anfänglichen Form verbiegt, wenn es die kristalline Phase annimmt. Weiterhin ist in den Einheiten eine Steuereinheit vorgesehen, welche mit jedem der Balkenbiegeelemente verbunden ist, um das PCM jedes der Balkenbiegeelemente selektiv so zu steuern, dass es die eine der amorphen oder der kristallinen Phase annimmt, wobei eine Verbiegung des Balkens widerstandsbezogen und optisch gelesen wird.
Weiterhin weist das reflektierende Anzeigesystem in einem Ausführungsbeispiel ein System auf, welches mehrere Einheiten des nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems und jeweils eine Steuereinheit umfasst, wobei jede Einheit eine Kragarmstruktur, die einen Balken, der an dessen einem Ende von einem Trägersockel getragen wird, und ein Balkenbiegeelement umfasst, welches ein Phasenwechselmaterial (PCM) umfasst, das in einem nicht gleitenden Zustand mit einem Material des Balkens auf einem Abschnitt des Balkens angeordnet ist, wobei das PCM eine aus einer amorphen Phase oder einer kristallinen Phase annimmt und den Balken gegenüber seiner anfänglichen Form verbiegt, wenn es die kristalline Phase annimmt. Die Steuereinheit ist mit jedem der Balkenbiegeelemente verbunden, um das PCM jedes der Balkenbiegeelemente selektiv so zu steuern, dass es die amorphe oder die kristalline Phase annimmt, wobei eine Verbiegung des Balkens widerstandsbezogen und optisch gelesen wird.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer reflektierenden Anzeigeeinheit mit mehreren Einheiten eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems bereitgestellt, welche jeweils einen Balken und ein darauf in einem nicht gleitenden Zustand angeordnetes Phasenwechselmaterial (PCM) umfassen, wobei das PCM eine aus einer amorphen Phase oder einer kristallinen Phase annimmt und den Balken verbiegt, wenn es die kristalline Phase annimmt. Das Verfahren umfasst das Trennen der Einheiten von einer Stromquelle, das Empfangen eines Signals, welches anzeigt, dass ein Teil der Einheiten Phasenaktualisierungen benötigt, das Zuführen von Strom und mit dem zugeführten Strom das Steuern der PCM, welche Phasenaktualisierungen benötigen, so dass sie eine neue der amorphen oder der kristallinen Phase annehmen, und das Wiederholen des Trennens der Einheiten von der Stromquelle, wobei eine Verbiegung des Balkens widerstandsbezogen und optisch gelesen wird.
Gemäß eines weiteren Aspekts dieses Textes wird ein Verfahren zum Bilden einer Einheit eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems diskutiert, welches das Aufbringen eines Phasenwechselmaterials (PCM) in einem nicht gleitenden Zustand auf eine Dünnschicht, das Strukturieren des PCM zu einem Balkenbiegeelement und der Dünnschicht zu einem Balken und das Entfernen von Material durch Unterschneiden umfasst, um den Balken zu einer Kragarmstruktur zu formen, wobei das Balkenbiegeelement so aufgebaut ist, dass es den Balken in Abhängigkeit von einer PCM-Phase verbiegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand der Erfindung wird in den Patentansprüchen am Ende der Beschreibung speziell herausgestellt und unterscheidbar beansprucht. Die vorstehenden und andere Erscheinungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
1 eine seitliche Schnittdarstellung einer nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Einheit gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung der Einheit der 1 ist;
3 eine schematische Darstellung der Einheit der 1 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist;
4A, 4B, 4C und 4D schematische Darstellungen der Einheit der 1 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind;
5 ein schematisches Diagramm einer Steuereinheit der Einheit der 1 ist;
6 eine schematische Darstellung eines Systems ist, bei welchem die Einheit der 1 verwendet wird; und
7 eine schematische Darstellung eines anderen Systems ist, bei welchem die Einheit der 1 verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf 1, wird eine Einheit 10 eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems (NEMS) bereitgestellt. Die Einheit 10 umfasst eine Kragarmstruktur 20 und ein Balkenbiegeelement 30. Die Kragarmstruktur 20 umfasst einen Balken 11 einer anfänglichen Form, welcher an dessen einem Ende 12 von einem Trägersockel 13 getragen wird, der auf einem Substrat 14 angeordnet ist. Das Balkenbiegeelement 30 umfasst ein Phasenwechselmaterial (PCM) 31 und ist in einem nicht gleitenden Zustand mit einem Material des Balkens 11 auf einem Abschnitt 15 des Balkens 11 angeordnet. Das PCM 31 kann eine amorphe Phase 40 oder eine kristalline Phase 50 annehmen und verbiegt den Balken 11 aus der anfänglichen Form, wenn es die kristalline Phase 50 annimmt.
Die Materialien des Trägersockels 13 und des Substrats 14 können kristalline Materialien wie Silicium, polykristalline Materialien wie Polysilicium, amorphe Materialien wie Siliciumdioxid, Keramik und organische Materialien umfassen, z. B. Kunststoff oder andere ähnliche Materialien. Das Material des Balkens 11 kann Siliciumnitrid, Polysilicium oder andere ähnliche Materialien umfassen. Das PCM 31 kann Germanium-Antimon-Tellur (GST), z. B. Ge₂Sb₂Te₅, Ge₄SbTe₅, AgInSbTe usw. oder andere ähnliche Materialien umfassen. Daher können das PCM 31 und das Material des Balkens 11 natürlich aneinander haften. Wo das PCM 31 und das Material des Balkens 11 nicht natürlich aneinander haften, kann zwischen dem PCM 31 und dem Material des Balkens 11 ein Klebstoff aufgebracht werden.
In Abhängigkeit vom Material des PCM 31 kann das PCM 31 nach der Kristallisation aus der amorphen Phase 40 eine Volumenveränderung von ungefähr 4% bis 9% zeigen, wobei dieser Bereich lediglich beispielhaft ist und in keiner Weise beschränkend sein soll. Die Volumenveränderung und der nicht gleitende Zustand zwischen dem PCM 31 und dem Material des Balkens 11 führen zum Verbiegen des Balkens 11. In einer Ausführungsform ist, wenn, wie in 1 dargestellt, das PCM 31 die amorphe Phase 40 aufweist, der Balken 11 in der anfänglichen Form im Wesentlichen gerade und eben und ist im Wesentlichen parallel zu einer Fläche des Substrats 14 ausgerichtet. Hier bewirkt das PCM 31, wenn das Balkenbiegeelement 30 und das PCM 31 auf einer Fläche des Balkens 11 angeordnet sind, die von dem Substrat 14 weg zeigt, dass der Balken 11 von dem Substrat 14 weggebogen wird, wenn das PCM 31 die kristalline Phase annimmt.
Bezug nehmend auf 2 und 3, kann es sich bei dem Balkenbiegeelement 30 um eine einzelne Komponente oder um mehrere handeln. Wie in 2 dargestellt, wird der Balken 11 an einem einzelnen Abschnitt 15 gebogen, wenn es sich bei dem Balkenbiegeelement 30 und dem PCM 31 um eine Einzelkomponente handelt. Im Gegensatz dazu kann, wie in 3 dargestellt, der Balken 11 so oft gebogen werden, wie es darauf angeordnete Balkenbiegeelemente 30 und PCM 31 gibt. Somit ist es möglich, die Form, das Maß und die Orientierung der Verbiegung durch Verwendung mehrerer Balkenbiegeelemente 30 zu erhöhen. Ferner ist es möglich, durch Verwendung mehrerer Balkenbiegeelemente 30 an mehreren Seiten und Rändern des Balkens 11 die Orientierung der Verbiegung zu verändern.
Weiter Bezug nehmend auf 2 und 3, sei angemerkt, dass hierin ein Aufbauverfahren für die Einheit 10 dargestellt wird. Gemäß dem Aufbauverfahren wird das PCM 31 auf eine Dünnschicht aufgebracht, wobei das PCM 31 anschließend zu dem Balkenbiegeelement 30 oder in einigen Fällen zu mehreren Balkenbiegeelementen 30 strukturiert wird und die Dünnschicht anschließend zu dem Balken 11 der Kragarmstruktur 20 strukturiert wird. Die Kragarmstruktur 20 wird anschließend durch Entfernen des Materials, das zwischen dem Balken 11 und einem Substrat angeordnet ist (siehe zum Beispiel den Begriff „Freilegen” in 2 und 3), durch Unterschneiden entlang einer Länge des Balkens 11 frei gelegt, welche sich mindestens bis zu einer Stelle des Balkenbiegeelements 30 erstreckt.
Zum Beispiel kann, wie in 4A dargestellt, der Balken 11 eine Seite 55 aufweisen, auf welcher an verschiedenen Stellen mehrere Balkenbiegeelemente 30 mit verschiedenen Orientierungen angeordnet sind. Hier sieht man, dass es durch unabhängiges Kristallisieren des PCM 31 jedes Balkenbiegeelements 30 möglich ist, den Balken 11 in mehrere Richtungen und Orientierungen zu verbiegen. Diese analoge Steuerung kann bei Anwendungen der Einheiten 10 zum Beispiel in reflektierenden Anzeigevorrichtungen mit ultraniedrigem Strombedarf und programmierbaren Lithographiemasken nützlich sein, wo die Freiheit einer analogen Steuerung eine auf den Einzelfall zugeschnittene Steuerung der Einheit 10 ermöglicht.
Wie in den weiteren Beispielen der 4B und 4C dargestellt, und gemäß Erscheinungsformen der Erfindung können Kombinationen aus einer Platte 250 und einem Balken 210, die auf einem Trägersockel 220 getragen werden, dazu gebracht werden, dass sie in wechselnde Richtungen gebogen werden. Das heißt, wenn die PCM 230U und 230D auf gegenüberliegenden nach oben und unten zeigenden Flächen des Balkens 210 angeordnet sind, kann die Kombination aus der Platte 250 und dem Balken 210 dazu gebracht werden, dass sie sowohl nach oben als auch nach unten gebogen wird. In ähnlicher Weise kann, wenn die PCM 230L und 230R auf gegenüberliegenden nach links und rechts zeigenden Flächen des Balkens 210 angeordnet sind, die Kombination aus der Platte 250 und dem Balken 210 dazu gebracht werden, dass sie nach links und rechts oder in seitliche Richtungen gebogen wird.
Wie in 4D dargestellt, kann eine Platte 250 zum Rotieren gebracht werden. Hier verbinden Balken 210L und 210R eine Platte 150 mit Trägersockeln 220A und 220B und weisen, angeordnet auf gegenüberliegenden Seiten, PCM 260L bzw. 260R auf. Im Betrieb, wenn die PCM 260L und 260R kristallin und amorph werden, verbiegen sich die Balken 210L und 210R, und die Platte 250 dreht sich entsprechend.
Bezug nehmend auf 5, wird ein System 60 bereitgestellt und umfasst die Einheit 10, wie oben beschrieben, sowie eine Steuereinheit 70, welche mit einem oder mehreren Balkenbiegeelementen 30 verbunden ist und dabei so konfiguriert ist, dass sie selektiv das PCM 31 jedes Balkenbiegeelements so steuert, das es die amorphe Phase 40 oder die kristalline Phase 50 aufweist. Das System 60 kann eine Stromquelle 80 umfassen, um den einzigen Strom des Systems zu liefern, wenn das jeweilige PCM 31 die Phase wechselt, und eine externe Steuereinheit 90 umfassen, die in Signalkommunikation mit der Steuereinheit 70 angeordnet ist, um an die Steuereinheit 70 ein Signal S auszugeben, welches anzeigt, ob der Balken 11, der zu einem der Balkenbiegeelemente 30 gehört, gebogen werden soll oder nicht. Die Steuereinheit 70 ist dafür konfiguriert, das Signal S zu empfangen und entsprechend zu reagieren. Die Steuereinheit 70 und die externe Steuereinheit 90 können voneinander getrennt oder integriert sein und können als Computereinheiten realisiert sein, die auf in ihnen gespeicherte ausführbare Befehle reagieren.
Das PCM 31 kann auf verschiedene Weisen dazu gebracht werden, dass es die amorphe Phase 40 oder die kristalline Phase 50 annimmt. Zum Beispiel kann das PCM 31 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, welche auf der Zusammensetzung des PCM 31 beruht, und anschließend mit einer ersten relativ schnellen Geschwindigkeit abgekühlt werden, zum Beispiel durch ein Schmelzen-Abschreckverfahren oder einige andere ähnliche Verfahren, um dadurch zu bewirken, dass das PCM 31 die amorphe Phase 40 annimmt, oder mit einer zweiten relativ langsamen Geschwindigkeit abgekühlt werden, um dadurch zu bewirken, dass das PCM 31 die kristalline Phase 50 annimmt.
Wie in 5 dargestellt, kann die Steuereinheit 70 mindestens eines aus einer Schaltung 71, einer Widerstandsheizung 72 und einem Laser 73 umfassen. Die Schaltung 71 ist elektrisch mit dem PCM 31 verbunden und dadurch dafür konfiguriert, Strom durch das PCM 31 zu leiten. Die Widerstandsheizung 72 kann in enger Nachbarschaft zu dem PCM 31 angeordnet sein und kann dafür konfiguriert sein, das PCM 31 lokal zu erwärmen, ohne umgebende Komponenten nachteilig zu erwärmen. Der Laser 73, z. B. ein optischer Laser, kann einen Laserstrahl auf das PCM 31 emittieren, der eine ausreichende Intensität aufweist, um das PCM 31 zu erwärmen. In jedem Fall kann die Steuereinheit 70 entweder die Schaltung 71/die Widerstandsheizung 72/den Laser 73 vollständig und unmittelbar ausschalten, um dadurch das PCM 31 schnell zu kühlen, um zu bewirken, dass das PCM 31 die amorphe Phase 40 annimmt, oder diese Komponenten allmählich abzuschalten, um dadurch das PCM 31 langsam zu kühlen, um dadurch zu bewirken, dass das PCM 31 die kristalline Phase 50 annimmt.
Wenn die Steuereinheit 70 das PCM 31 erwärmt, versteht es sich jedoch, dass die Erwärmung am PCM 31 oder allgemeiner am Balkenbiegeelement 30 lokalisiert ist. Dies kann für die Maßstabsveränderung und für die Vermeidung einer unerwünschten Erwärmung benachbarter PCM-Elemente 31 von Vorteil sein.
Ein PCM-NEMS-Schalter, welcher die Einheit 10 umfasst, wie oben beschrieben, kann in der Komplementär-Metalloxid-Halbleiter(CMOS)-Technologie eingesetzt werden, da die Materialien, die in der Einheit 10 verwendet werden, mit jenen der CMOS-Technologie kompatibel sind, und kann eingebaute Redundanzen aufweisen. Zum Beispiel kann auf den PCM-NEMS-Schalter, der die Einheit 10 umfasst, für Lese- und/oder Schreiboperationen sowohl elektrisch als auch optisch zuzugreifen sein. Wenn das PCM 31 zum Beispiel amorph ist, weist es im Vergleich zum kristallinen spezifischen Widerstand des PCM einen sehr hohen spezifischen Widerstand auf. Es ist daher möglich, die Position (den Zustand) der Einheit 10 elektrisch zu lesen oder zu erfassen, indem der spezifische Widerstand des Materials des PCM 31 gemessen wird. In ähnlicher Weise unterscheidet sich der Brechungsindex von amorphem PCM deutlich von jenem des kristallinen PCM. Es ist daher möglich, den Zustand der Einheit optisch zu lesen, indem der Brechungsindex des PCM 31 gemessen wird. Man beachte, dass das Lesen (oder Erfassen) des Zustands der Einheit mit sehr geringer Stromstärke oder sehr geringer optischer Energie erfolgt, so dass die PCM-Materialphase durch die Leseoperation nicht modifiziert wird.
Bezug nehmend auf 6, wird ein System 100 bereitgestellt und umfasst mehrere Einheiten 10, wie oben beschrieben, und eine Steuereinheit 70, welche der oben beschriebenen Steuereinheit 70 ähnelt. Das System 100 könnte in einer Verwendung mit einer reflektierenden Anzeigevorrichtung 110 mit ultraniedrigem Strombedarf, z. B. einem Computermonitor, einem Fernsehgerät oder einer tragbaren Einheit, wie z. B. einem E-Book oder Lesegerät, eingesetzt werden. Bei der reflektierenden Anzeigevorrichtung 110 wird eine externe Beleuchtung verwendet, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Papierbuch. Dies ist ein Unterschied zu einer herkömmlichen Anzeigevorrichtung mit Hintergrundbeleuchtung, z. B. einer Flüssigkristallanzeige (LCD), welche normalerweise eine fluoreszierende Lampe umfasst. In tragbaren Computern, z. B. Notebooks, verbraucht die LCD ungefähr 30% der Gesamtenergie des Systems. Reflektierende Anzeigevorrichtungen sind deshalb viel energieeffizienter.
Die reflektierende Anzeigevorrichtung 110 umfasst ferner mehrere Bildpunkte 120. Jeder Bildpunkt 120 umfasst ein Feld bzw. eine Matrix von rot-grün-blauen Punkten (RGB-Punkten) 130. Jeder Punkt 130 kann durch einzelne der Einheiten 10 einzeln maskiert sein. Die Steuereinheit 70 kann den Zustand jedes der Punkte 130 durch Verändern des Zustands der Einheiten 10 einstellen. In solch einer reflektierenden Anzeigevorrichtung 110 sind einzelne Punkte 130 sichtbar, wenn das PCM 31 der entsprechenden Einheiten 10 dazu gebracht wird, die kristalline Phase 50 anzunehmen, um dadurch die entsprechenden Einheiten 10 zu öffnen. Die Punkte 130 sind ansonsten unsichtbar, wenn das PCM 31 der entsprechenden Einheiten 10 die amorphe Phase 40 annimmt, um die Einheiten 10 zu schließen. Hier versteht es sich, dass der Balken 11 opak ist. Somit reflektiert in dem in 6 dargestellten Beispiel der Bildpunkt 120 grün, da die Einheiten 10 für die grünen Punkte offen sind und alle anderen Einheiten 10 geschlossen und opak sind.
Das Intensitätsniveau jeder Farbe kann durch die Steuereinheit 70 digital gesteuert werden, indem die Steuereinheit 70 eine proportionale Anzahl an Einheiten 10 bestimmter Farben bestimmter Bildpunkte gemäß einem gewünschten Bild öffnet und schließt. Die Steuereinheit 70 kann auch eine analoge Steuerung durchführen, indem der Rotationswinkel der Öffnung der Einheiten 10 variiert wird.
Da die Einheiten 10 nichtflüchtig sind, ist es nicht erforderlich, die Anzeigevorrichtung mit Strom zu versorgen, solange keine Aktualisierung erforderlich ist. Sogar in dem extremen Fall des Betrachtens eines Films, wobei der Bildschirm ungefähr 30 Mal je Sekunde aktualisiert wird, kann es sein, dass die Schreibzeit der Einheit 10 nur wenige Mikrosekunden beträgt. So kann für die meiste Zeit zwischen den Aktualisierungen die gesamte Bildschirmelektronik ausgeschaltet sein. Überdies ist es bei normalen Operationen möglich, dass nur kleine Bereiche einer Anzeigevorrichtung Aktualisierungen benötigen. Die Einheiten 10 ermöglichen daher intelligente Aktualisierungen, bei welchen zu jeder Zeit nur für Aktualisierungen betreffender Einheiten 10 Strom bereitgestellt wird.
Über die Lebensdauer einer Anzeigevorrichtung werden unter der Annahme einer kontinuierlichen Aktualisierungsgeschwindigkeit des Bildschirms von 30 Aktualisierungen je Sekunde für 10 Jahre ungefähr 9 × 10⁹ Schaltvorgänge benötigt, was eine angemessene Anforderung an das PCM und die NEMS-Einheiten 10 darstellt. Die erforderliche Energie zum Schalten von 15 × 15 Nanometern (nm) GST beträgt ungefähr 1,5 Pikojoule (pJ), so dass unter der Annahme von 1 Million (M) Bildpunkten, welche alle 30 Mal je Sekunde schalten (extremer Fall), ein PCM-Volumen von 25 × 100 nm einen Energieverbrauch von ungefähr 0,5 Milliwatt (mW) ergibt. Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung versteht es sich, dass tragbare Einheiten insbesondere den Energieverbrauch der Anzeigevorrichtungen auf ein Mindestmaß begrenzen müssen, um eine lange Batterielebensdauer zu bewahren, und dass, obwohl durch die Verwendung einer reflektierenden Anzeigevorrichtung eine Verringerung des Energieverbrauchs möglich ist, eine weitere Verringerung des Energieverbrauchs möglich ist, wenn bei der reflektierenden Anzeigevorrichtung die Einheiten 10 verwendet werden und diese deshalb nichtflüchtig ist, wobei die Batterie entnommen wird oder auf andere Weise nicht verwendet wird, außer während Seitenaktualisierungen.
Bezug nehmend auf 7, können die Einheiten 10 auch in eine programmierbare Stepper-Maske 140 für die Lithographie eingebaut sein. Eine solche Maske 140 umfasst ein Maskensubstrat 150, welches darin ausgebildete Durchgangslöcher 160 aufweist, welche durch mehrere diskrete darin angeordnete Einheiten 10 geöffnet 161 und geschlossen 162 werden. Hier wird wiederum jede der Einheiten 10 einzeln durch die Steuereinheit 70 gesteuert, um eine Form der Maske 140 für verschiedene Anwendungen wirksam zu steuern. Eine solche programmierbare Stepper-Maske könnte die Herstellung einer kleinen Anzahl an Chips zu moderaten Kosten ermöglichen und könnte mit vorhandenen Steppern verwendet werden, wobei herkömmliche Masken stromlos eingesetzt werden.
Gemäß weiteren Erscheinungsformen der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Systems bereitgestellt. Das System umfasst wie oben mehrere nichtflüchtige nanoelektromechanische Einheiten, von denen jede einen Balken und ein Balkenbiegeelement umfasst, welches ein Phasenwechselmaterial (PCM) umfasst, das in einem nicht gleitenden Zustand auf dem Balken angeordnet ist.
Das PCM nimmt eine aus einer amorphen Phase und einer kristallinen Phase an und biegt den Balken, wenn es die kristalline Phase annimmt. Das Verfahren umfasst das Trennen der Einheiten von einer Stromquelle, das Empfangen eines Signals, welches anzeigt, dass ein Teil der Einheiten Phasenaktualisierungen benötigt, das Zuführen von Strom und mit dem zugeführten Strom das Steuern des PCM der Einheiten, welche Phasenaktualisierungen benötigen, so dass sie eine der amorphen oder der kristallinen Phase annehmen, die sie zuvor nicht angenommen hatten. Das Verfahren umfasst schließlich das Wiederholen des Trennens der Einheiten von der Stromquelle, um die von dem System benötigte Energie zu begrenzen.
Gemäß Ausführungsformen kann das Zuführen des Stroms das Zuführen von Strom nur zu den Einheiten umfassen, die Phasenaktualisierungen benötigen, so dass eine weitere Verringerung des Energiebedarfs erreicht werden kann. Auch kann die Steuerung mindestens eines aus einer digitalen und einer analogen Steuerung umfassen, wie oben beschrieben.
Gemäß weiteren Erscheinungsformen der Erfindung versteht es sich, dass der Steueralgorithmus für die Steuereinheit 70 als ausführbare Befehle in einem computerlesbaren Medium verkörpert sein kann, die in einer Speichereinheit einer Computereinheit gespeichert sind. Wenn sie ausgeführt werden, bewirken diese Befehle, dass eine Verarbeitungseinheit der Computereinheit die Steuereinheit 70 anweist, wie oben beschrieben zu arbeiten.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang derselben abzuweichen. Deswegen soll die Erfindung nicht auf die spezielle beispielhafte Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Art der Ausführung der Erfindung offenbart wurde, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die unter den Umfang der Patentansprüche fallen.

Claims

Reflektierende Anzeigevorrichtung, welche mehrere Bildpunkte aufweist, die ein Feld von rot-grün-blauen Punkten (RGB-Punkten) aufweisen, wobei die reflektierende Anzeigevorrichtung weiterhin aufweist: mehrere Einheiten eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems, wobei jede Einheit Folgendes aufweist: eine Kragarmstruktur, welche einen Balken umfasst, der an dessen einem Ende von einem Trägersockel getragen wird; und ein Balkenbiegeelement, welches ein Phasenwechselmaterial (PCM) aufweist, das in einem nicht gleitenden Zustand mit einem Material des Balkens auf einem Abschnitt des Balkens angeordnet ist, wobei das PCM eine aus einer amorphen Phase oder einer kristallinen Phase annimmt und den Balken gegenüber seiner anfänglichen Form verbiegt, wenn es die kristalline Phase annimmt; und eine Steuereinheit, welche mit jedem der Balkenbiegeelemente verbunden ist, um das PCM jedes der Balkenbiegeelemente selektiv so zu steuern, dass es die eine der amorphen oder der kristallinen Phase annimmt, wobei eine Verbiegung des Balkens widerstandsbezogen und optisch gelesen wird.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Balken jeder Einheit Siliciumnitrid aufweist und das PCM Germanium-Antimon-Tellur (GST) aufweist.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Einheit ferner ein Substrat aufweist, auf welchem der Trägersockel angeordnet ist, wobei der Balken im Wesentlichen parallel zu einer Seite des Substrats verläuft, wenn das PCM die amorphe Phase annimmt.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Balkenbiegeelement der Einheit auf einer Seite des Balkens angeordnet ist, die von dem Substrat weg zeigt, wobei das PCM den Balken von dem Substrat weg biegt, wenn es die kristalline Phase annimmt.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das PCM jeder Einheit nach der Kristallisation aus der amorphen Phase eine Volumenveränderung von 4% bis 9% zeigt.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Balkenbiegeelement jeder Einheit mehrfach vorliegt und an einem oder mehreren Abschnitten des Balkens angeordnet ist.
Reflektierende Anzeigevorrichtung, welches Einheiten nach Anspruch 1 und Steuereinheiten aufweist, wobei jeweils eine Einheit und eine Steuereinheit zusammen ein System bilden, das jeweils mit dem Balkenbiegeelement jeder Einheit verbunden ist, um das jeweilige PCM so zu steuern, dass es die eine der amorphen oder der kristallinen Phase annimmt, und wobei ferner je System eine Stromquelle umfasst ist, um das jeweilige System nur dann mit Strom zu versorgen, wenn eine Phase des jeweiligen PCM wechselt.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, welches ferner je System eine jeweilige externe Steuereinheit aufweist, die in Signalkommunikation mit der jeweiligen Steuereinheit angeordnet ist, wobei die jeweilige externe Steuereinheit der jeweiligen Steuereinheit signalisiert, ob der jeweilige Balken gebogen werden soll.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die jeweilige Steuereinheit dafür konfiguriert ist, das jeweilige PCM mit einer ersten bzw. zweiten Geschwindigkeit zu schmelzen, um zu bewirken, dass das jeweilige PCM die amorphe bzw. die kristalline Phase annimmt.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die jeweilige Steuereinheit mindestens eines aufweist aus: einer Schaltung, die dafür konfiguriert ist, Strom durch das jeweilige PCM zu leiten, einer Widerstandsheizung und einem Laser.
Reflektierende Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die einzelnen der Einheiten digital oder analog gesteuert werden.
Verfahren zum Betreiben einer reflektierenden Anzeigeeinheit mit mehrerer Einheiten eines nichtflüchtigen nanoelektromechanischen Systems gemäß Anspruch 1, welche jeweils einen Balken und ein darauf in einem nicht gleitenden Zustand angeordnetes Phasenwechselmaterial (PCM) aufweisen, wobei das PCM eine aus einer amorphen Phase oder einer kristallinen Phase annimmt und den Balken verbiegt, wenn es die kristalline Phase annimmt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Trennen der Einheiten von einer Stromquelle; Empfangen eines Signals, welches anzeigt, dass ein Teil der Einheiten Phasenaktualisierungen benötigt; Zuführen von Strom und mit dem zugeführten Strom Steuern der PCM, welche Phasenaktualisierungen benötigen, so dass sie eine neue der amorphen oder der kristallinen Phase annehmen; und Wiederholen des Trennens der Einheiten von der Stromquelle, wobei eine Verbiegung des Balkens widerstandsbezogen und optisch gelesen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Zuführen des Stroms das Zuführen von Strom nur zu den Einheiten umfasst, welche Phasenaktualisierungen benötigen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Steuern mindestens eines umfasst aus: einer digitalen und einer analogen Steuerung.