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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft optische Anzeigesysteme und insbesondere
ein reflektierendes Anzeigesystem, das einen optischen Modulator mit
einem mikroelektromechanischen System (microelectrical mechanical
system – MEMS)
verwendet.
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HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Optische
Flachbildschirm-Anzeigesysteme wie Flüssigkristallanzeigen sind bekannt
und weit verbreitet. Viele solcher Anzeigen (z. B. Flüssigkristallanzeigen)
erfordern polarisiertes Beleuchtungslicht. Typischerweise dämpft die
Polarisierung von Beleuchtungslicht das Licht außerordentlich, wobei sich dadurch
Anzeigevorrichtungen mit verminderter Helligkeit ergeben oder relativ
kostspielige optische Bauteile erforderlich sind. Darüber hinaus
haben solche Anzeigevorrichtungen gewöhnlich relativ geringe Kontrastverhältnisse,
die die Klarheit des Bildes und die Gesamtbildqualität mindern.
Des Weiteren erfordern solche Anzeigevorrichtungen typischerweise komplexe
oder schwierige Herstellungsverfahren.
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Die
Druckschrift
EP 0 831
352 A1 betrifft eine optische Modulatoreinheit mit einer
optischen Modulatorvorrichtung, einer Feinloch-Gruppe und einer
Mikrolinsen-Gruppe. Die optische Modulatorvorrichtung wird durch
Anordnen von Spiegelelementen entsprechend jedem Pixel bei einer
Matrix-Bildung aufgebaut. Jedes Spiegelelement hat eine Struktur,
in der eine piezoelektrische Schicht zwischen einer unteren und
einer oberen Elektrode angeordnet ist. Wenn eine Spannung zwischen
der unteren und der oberen Elektrode angelegt wird, werden die piezoelektrische Schicht
und damit das Spiegelelement verformt. Andererseits wird bei Spiegelelementen
mit Elektroden, zwischen denen keine vorgegebene Spannung eingespeist
wird, die piezoelektrische Schicht nicht verformt, wobei damit das
Spiegelelement nicht verformt wird. Die Feinloch-Gruppe ist so positioniert,
dass ihre Feinlöcher
mit den jeweiligen Brennpunkten der Mikrolinsen-Elemente der Mikrolinsen-Gruppe übereinstimmen.
Der Abstand zwischen der optischen Modulatorvorrichtung und dem
Feinloch wird so eingestellt, dass die Mitte der Krümmung einer
Kugel, in die sich die Form der Verformung von jedem Spiegelelement
in seinem verformten Zustand nähert,
mit dem jeweiligen Feinloch übereinstimmt.
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Gemäß der Druckschrift
EP 0 831 352 A1 werden
einfallende Beleuchtungslichtstrahlen durch die Mikrolinsen-Elemente
konvergiert, die die an den Feinlöchern fokussierte Mikrolinsen-Gruppe
bilden, werden dann zu divergierten Lichtstrahlen und werden auf
die Spiegelelemente gerichtet, die die optische Modulatorvorrichtung
bilden. Die auf die verformten Spiegelelemente einfallenden Beleuchtungslichtstrahlen
werden durch die reflektierenden Oberflächen reflektiert. Da die reflektierten
Lichtstrahlen fast den gleichen optischen Weg nehmen, den die einfallenden
Lichtstrahlen genommen haben, werden sie an den Feinlöchern wieder
konvergiert, passieren dort, werden zu divergierten Lichtstrahlen
und werden dann in die Mikrolinsen-Gruppe eingeführt. Andererseits werden die
Beleuchtungslichtstrahlen, die auf die nicht verformten Spiegelelemente
einfallen, als divergierende, reflektierende Lichtstrahlen reflektiert.
Aus diesem Grund kann nur eine geringfügige Lichtmenge der reflektierten
Lichtstrahlen, die durch die Feinlöcher durchgelassen werden,
zur Mikrolinsen-Gruppe zurückkehren.
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Der
optische Modulator der Druckschrift
EP 0 831 352 A1 kann in einer Anzeigeeinheit
enthalten sein. Die von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen
können
durch einen parabolisch geformten Reflektor in im Wesentlichen parallele
Lichtstrahlen umgewandelt und dann auf einen Strahlteiler gerichtet werden.
Ein Teil dieser Beleuchtungslichtstrahlen wird von einer reflektierenden
Oberfläche
reflektiert und auf die optische Modulator-Einheit gerichtet. Die reflektierten
Lichtstrahlen von den verformten Spiegelelementen werden in parallele
Lichtstrahlen durch die Mikrolinsen-Elemente in der Mikrolinsen-Gruppe zurück umgewandelt,
zum Strahlteiler zurückgeführt und
dann auf einen Bildschirm durch eine Projektionslinse fokussiert.
Als der Bildschirm ist ein reflektierender Bildschirm oder ein durchlässiger Bildschirm
akzeptabel.
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In
der Druckschrift
US
5 504 629 A wird ein optisches Projektionssystem mit einer
Lichtquelle, einer Gruppe aus M×N
betätigten
Spiegeln, wobei jeder der betätigten
Spiegel einen Aktor und einen Spiegel hat, einem Projektionsbildschirm,
einer Projektionslinse und einem Linsensystem mit einer ersten Linseneinheit,
einer zweiten Linseneinheit und einem dazwischen befindlichen optischen
Schutzschirm beschrieben. Die erste sowie die zweite Linseneinheit
werden mit einem Paar Seitenflächen
bereitgestellt, die mit einer Gruppe aus M×N auf einer der parallelen
Seitenflächen
ausgebildeten Mikrolinsen parallel sind. Der optische Schutzschirm
besteht aus einer Vielzahl von Aperturen und Licht absorbierenden
Regionen und ist zwischen den zwei Linseneinheiten in einer derartigen
Weise angeordnet, dass die Aperturen mit dem Brennpunkt von jeder
der Mikrolinsen in der Gruppe an der ersten Linseneinheit zusammenfallen.
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Gemäß der Druckschrift
US 5 504 629 A wird ein
von der Lichtquelle ausgestrahltes Licht auf den optischen Schutzschirm
durch die Gruppe von Mikrolinsen an der ersten Linseneinheit fokussiert.
Der Lichtstrahl vom Schutzschirm wird dann durch die Gruppe von
Mikrolinsen an der zweiten Linseneinheit kollimiert und wird auf
die Gruppe von betätigten Spiegeln
gestrahlt. Die Aktoren sind aus einem elektrodisplasiven Material
wie einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material hergestellt,
das sich in Reaktion auf ein daran angelegtes elektrisches Signal
verformt. Die reflektierten Lichtstrahlen von den betätigten Spiegeln
in der Gruppe werden auf den optischen Schutzschirm zurück fokussiert.
Jeder der Spiegel in der Gruppe von betätigten Spiegeln befindet sich
in optischer Ausrichtung mit den Aperturen des optischen Schutzschirms.
Durch Anlegen eines elektrischen Signals an jeden der Aktoren wird
die relative Position von jedem der Spiegel zum einfallenden Lichtstrahl
verändert,
wobei dadurch eine Abweichung im optischen Weg des reflektierten
Strahls von jedem der Spiegel verursacht wird. Da der optische Weg
für jeden
der reflektierten Strahlen über
den Licht absorbierenden Teil und die Aperturen des optischen Schutzschirms
variiert wird, wird die reflektierte Lichtmenge in jedem der Spiegel,
die durch die Aperturen passiert, geändert, wodurch die Intensität des Strahls
moduliert wird. Die modulierten Strahlen durch die Aperturen werden
von der Gruppe von Mikrolinsen in der ersten Linseneinheit kollimiert
und auf den Projekti onsbildschirm über eine entsprechende optische
Vorrichtung wie die Projektionslinse durchgelassen, wobei dadurch
ein Bild darauf angezeigt wird.
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Die
Druckschrift
US 6 137
623 A betrifft einen Reflektor mit einem mechanischen verformbaren
Teil aus wenigstens einer reflektierenden Oberfläche. Auf einem Teil eines Substrats
eines Rückstrahlers
werden elektrostatische Platten bereitgestellt. In einer ersten
Position sind die elektrostatischen Platten im Wesentlichen flach
(oder plan). In dieser Position führen die elektrostatischen
Platten kein signifikantes Ausmaß einer Diskontinuität in die
reflektierenden Oberflächen
ein. Damit arbeitet der Rückstrahler,
als ob die elektrostatischen Platten nicht vorhanden wären, wobei
im Wesentlichen die gesamte einfallende Strahlung zu ihrer Quelle
zurück
reflektiert wird. In einer zweiten Position werden die elektrostatischen Platten
von der reflektierenden Oberfläche
weggerollt. In dieser Position führen
die elektrostatischen Platten eine Diskontinuität in die reflektierende Oberfläche ein,
die eine Streuung des einfallenden Strahlungssignals verursacht.
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Des
Weiteren können
gemäß der Druckschrift
US 6 137 623 A die
elektrostatischen Platten in dem mikroelektronischen Substrat unter
Verwendung der Technologie von mikro-elektromechanischen Systemen
ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Plattenelement durch Aufbringen
und Mustern einer dünnen
leitenden Polysilizium-Schicht
auf einem Substrat ausgebildet sein, um als eine untere Elektrode
zu wirken. Über
der unteren Elektrode kann dann eine Opferschicht aus Oxid aufgebracht werden,
wobei eine Polysilizium-Schicht darüber aufgebracht wird. Die Polysilizium-Schicht wird dann
gemustert und geätzt,
um das Plattenelement zu bilden. Die Metallschicht, die im Wesen
dehnbar ist, wird über
dem Plattenelement aufgebracht und gemustert. Durch die Nutzung
eines Metalls mit einem Dehnungswert größer als dem des Polysiliziums,
das das Plattenelement umfasst, wird die Restspannungsverteilung
vom zweischichtigen Verbundaufbau bewirken, dass sich das Plattenelement
von der reflektierenden Oberfläche
wegrollt oder sich relativ dazu bewegt. Damit wird in einer nicht
betätigten
oder normalen Position das Plattenelement von dem Substrat weggerollt.
Durch Anordnen einer vorgegebenen Spannungsladung an die untere
Elektrode über
einen Betätigungsmechanismus
wie einem Mikroprozessor wird das Plattenelement in die Richtung
der unteren Elektrode gezogen, so dass das Plattenelement in seinem
vollständig
betätigten
Zustand im Wesentlichen flach ist.
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Eine
Strahlstruktur umfasst die reflektierende Platte von
US 6 137 623 A , die an einem
Substrat durch eine Substratverbindung an wenigstens einer Stelle
befestigt ist. Die reflektierende Platte kann im Vergleich zur Substratverbindung,
die Restspannung enthalten kann, starr plan sein, wobei folglich
die Verformung der Strahlstruktur hauptsächlich an der Substratverbindung
stattfinden kann.
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Die
Druckschrift
US 5 481
396 A betrifft eine betätigte
Dünnfilm-Spiegelgruppe
mit einer piezoelektrischen Struktur. Die piezoelektrische Struktur weist
eine piezoelektrische Materialschicht, eine erste Metallschicht,
eine zweite Metallschicht, einen Abstandshalter und eine Spiegelgruppe
auf. Die piezoelektrische Materialschicht definiert eine obere Fläche und
eine untere Fläche.
Die erste Metallschicht wird in Kontakt mit der oberen Fläche aufgebracht. Die
zweite Schicht aus Metall wird in Kontakt mit der unteren Fläche aufgebracht.
Die erste und die zweite Metallschicht dienen als Metallelektroden.
Die piezoelektrische Struktur wird an einem Sockelelement an einem
proximalen Ende der piezoelektrischen Materialschicht angebracht,
wobei der Abstandshalter an einem distalen Ende der piezoelektrischen
Materialschicht angeordnet wird. Ein erster Teil der Spiegelschicht
ist am Abstandshalter so befestigt, dass ein zweiter Teil der Spiegelschicht
vom Sockel ausgehend freitragend ist. Wenn ein elektrisches Feld über das
piezoelektrische Material angelegt wird, das bewirkt, dass sich
die piezoelektrische Struktur nach oben biegt, wird sich der Spiegel
in einem Winkel nach oben neigen, aber plan bleiben.
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Die
Druckschrift
WO 01/84
531 A1 betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines pulsbreitenmodulierten Grauskalen- oder Farbbildes mittels
eines binären
räumlichen
Lichtmodulators. Eine Farbanzeige mit "Halbbildfolge" kann durch zeitweiliges Interleaving
bzw. Verschachteln separater Bilder in unterschiedlichen Farben,
typischerweise die zusätzlichen
Primärfarben
rot, grün
und blau erzeugt werden. Dies kann mittels eines Farbfilterrades ausgeführt werden.
Es können
weitere Beleuchtungsverfahren verwendet werden, um eine Halbbildfolge-Farbanzeige
zu erzeugen. Zum Beispiel könnten
bei einem ultraleichten Display LEDs für die Licht quelle verwendet
werden. Statt der Verwendung eines Farbrades können die LEDs auf Wunsch einfach nur
an- oder ausgeschaltet werden. Gemäß dem beschriebenen Aufbau
eines räumlichen
Lichtmodulators steuern Adressierungssignale einen Reihen-Dekoder,
um eine Wortzeile zu aktivieren, die bewirkt, dass Daten von Bit-Zeilen
in eine Reihe von Speicherzellen geschrieben werden, die die Zustände der Licht
modulierenden Elemente steuern. Jede Speicherzelle macht es möglich, dass
die geschriebenen Pixel in ihren Zuständen gehalten werden, bis sie
das nächste
Mal geschrieben werden. In der Zwischenschaltzeit können andere
Reihen des Displays aktualisiert werden.
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Die
Druckschrift
US 5 671
083 A beschreibt einen monolithischen räumlichen DMD-Lichtmodulator mit
einer Gruppe von geladenen Speicherzellen, wobei die Zellen als
passive Vorrichtungen arbeiten und keine Energiequelle erfordern.
Jede geladene Speicherzelle weist ein Paar Kondensatoren mit einer
großen
Polysilizium-Elektrode auf, die von einem Schaltungssubstrat durch
eine dünne
Oxidschicht getrennt ist. Wenigstens eine und vorzugsweise mehrere
vergrabene Schichten stellen einen lichtundurchlässigen Schirm über diese
Polysilizium-Elektrode bereit, um zu verhindern, dass auf die DMD-Spiegelgruppe
einfallendes Licht den vergrabenen Kondensator entlädt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Hardware-Verbrauch
des mikroelektromechanischen optischen Anzeigesystems zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 erfüllt. Ausführungsbeispiele
werden in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Bei
einer Ausführung
weist die vorliegende Erfindung ein mikro-elektromechanisches optisches Anzeigesystem
auf, das Aktoren mit einem mikro-elektromechanischen System (microelectrical
mechanical system – MEMS)
verwendet, um Licht zu modulieren. Wie in der Technik bekannt ist,
stellen MEMS-Aktoren die Steuerung von sehr kleinen Bauteilen bereit,
die auf Halbleiter-Substraten durch herkömmliche Halbleiter-Herstellungsverfahren
(z. B. CMOS) ausgebildet sind. MEMS-Systeme und -Aktoren werden
manchmal als mikrobearbeitete Systeme auf einem Chip bezeichnet.
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Bei
einer weiteren Ausführung
weist das optische MEMS-Anzeigesystem gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Beleuchtungsquelle zur Bereitstellung eines Beleuchtungslichtes,
eine Kollimationslinse zum Empfangen des Beleuchtungslichtes und
zum Bilden eines kollimierten Beleuchtungslichtes daraus und eine
Mikrolinsen-Gruppe
auf, die eine Gruppe von Lenslets hat und das Beleuchtungslicht von
der Kollimationslinse empfängt.
Die konvergierende Mikrolinsen-Gruppe richtet das Beleuchtungslicht
einer Gruppe von Pixel-Aperturen in einer Aperturplatte auf eine
mikro-elektromechanische Reflektorgruppe, die gegenüber der
Aperturplatte positioniert ist.
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Die
mikro-elektromechanische Reflektorgruppe weist eine Gruppe von mikro-elektromechanischen
Aktoren auf, die Reflektoren in Ausrichtung mit der Gruppe von Pixel-Aperturen trägt. Die
Gruppe von mikro-elektromechanischen Aktoren richtet die Reflektoren
selektiv so aus, dass das Beleuchtungslicht durch die Pixel-Aperturen
zurück
(so dass ein Teil eines Anzeigebildes gebildet wird) oder gegen die
Aperturplatte (so das sie blockiert ist) gerichtet wird. Das durch
die Pixel-Aperturen zurück
passierende Beleuchtungslicht passiert durch die Mikrolinsen-Gruppe
und einen Strahlteiler zu einem Anzeigebildschirm.
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Ein
optisches MEMS-Anzeigesystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ohne polarisiertes Beleuchtungslicht arbeiten, wobei
dadurch die Lichtdämpfung
oder Ausgaben zur Polarisierung des Beleuchtungslichtes beseitigt
werden. Zusätzlich
kann Licht vollständig
blockiert oder durch Zusammenwirken zwischen den MEMS-Reflektoren und der
Aperturplatte moduliert werden, wodurch Anzeigebilder mit sehr hohen
Kontrastverhältnissen
bereitgestellt werden. Des Weiteren können solche MEMS-Aktoren durch
herkömmliche
CMOS-Schaltungs-Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Zusätzliche
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der ausführlichen
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich, die
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen fortgesetzt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1–15 Querschnittsansichten
eines allgemeinen MEMS-Verfahrens für Mehrbenutzer, das nach dem
Stand der Technik bekannt ist, zur Herstellung von mikro-elektromechanischen
Vorrichtungen. Die Schraffur ist weggelassen, um die Klarheit der
Struktur nach dem Stand der Technik und des geschilderten Verfahrens
zu verbessern;
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16 eine
Ausführung
eines mikro-elektromechanischen (MEMS) optischen Anzeigesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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17 eine
weitere Ausführung
eines mikro-elektromechanischen (MEMS) optischen Anzeigesystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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18 und 19 schematische
Seitenansichten eines beispielhaften MEMS-Aktors in jeweils einem aktivierten
und entspannten Zustand zum Steuern eines MEMS-Reflektors;
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20 eine
Draufsicht eines in dem optischen Anzeigesystem von 16 verwendeten MEMS-Aktors;
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21 und 22 Seitenansichten
des MEMS-Reflektors von 19 in
jeweils einem aktivierten und entspannten Zustand;
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23 eine
schematische grafische Darstellung einer 2×2 Gruppe von Aktoren mit einem
Speicherungs- oder Speichervermögen;
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24 eine
schematische grafische Darstellung einer 50×50 Gruppe von Aktoren mit
einem Speicherungs- oder Speichervermögen;
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25 ein
Ablaufdiagramm eines Zeilenfolge-Adressierungsverfahrens;
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26 ein
Diagramm, das die Hysterese-Charakteristiken eines MEMS-Aktors mit
Bezug auf angelegte Spannungsdifferenzen veranschaulicht;
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27 eine
schematische Seitenschnittansicht eines Spiegelteils eines MEMS-Aktors mit einer Verbundstruktur.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Um
beim Verstehen der vorliegenden Erfindung zu helfen, wird das allgemeine
Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen mittels
des MUMP-Verfahrens mit Bezug auf 1–15 erläutert.
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Das
MUMP-Verfahren stellt drei Schichten aus konformem Polysilizium
bereit, die geätzt
werden, um eine gewünschte
physikalische Struktur zu schaffen. Die erste Schicht, gekennzeichnet
als POLY 0, ist mit einem Träger-Wafer
gekoppelt, wobei die zweite und die dritte Schicht, POLY 1 bzw.
POLY 2, mechanische Schichten sind, die von der darunter liegenden
Struktur durch den Einsatz von Opferschichten getrennt werden können, die
Schichten trennen und während
des Verfahrens entfernt werden.
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Die
begleitenden Figuren zeigen ein allgemeines Verfahren zum Bau eines
Mikro-Motors, wie es
durch das MEMS Technology Applications Center, 3021 Cornwallis Road,
Research Triangle Park, North Carolina bereitgestellt wird.
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Das
MUMP-Verfahren beginnt mit einem 100 μm starken n-Silizium-Wafer 10.
Die Wafer-Oberfläche
wird mit Phosphor in einem üblichen
Diffusionsofen mittels POCI 3 als Dotierungsmittel-Quelle stark dotiert.
Dies verringert eine Durchkontaktierung der Ladung zum Silizium
von elektrostatischen Vorrichtungen, die anschließend am
Wafer angebracht werden. Als Nächstes
wird eine 600 nm starke Niederspannungs-Siliziumnitrid-Schicht 12 durch
chemisches Niederdruck-Aufdampfungsverfahren (Low Pressure Chemical
Vapor Deposition – LPCVD)
auf dem Silizium als eine elekt rische Isolationsschicht aufgebracht.
Der Silizium-Wafer und die Siliziumnitrid-Schicht bilden ein Substrat.
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Als
Nächstes
wird ein 500 nm starker LPCVD-Polysilizium-Film – POLY 0 14 – auf das
Substrat aufgebracht. Die POLY 0 Schicht wird dann durch Fotolithografie
gemustert, ein Verfahren, das die Beschichtung der POLY 0 Schicht
mit einem Fotolack 16, das Aussetzen des Fotolacks mit
einer Schablone (nicht dargestellt) und das Entwickeln des ausgesetzten
Fotolacks, um die gewünschte Ätzschablone für die anschließende Musterübertragung
in die POLY 0 Schicht zu erzeugen (2), aufweist.
Nach der Musterung des Fotolacks wird die POLY 0 Schicht 14 in
einem System für
reaktives Ionenätzen (Reactive
Ion Etch – RIE)
geätzt
(3).
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Mit
Bezug auf 4 wird eine 2,0 μm starke Opferschicht 18 aus
Phosphorsilikat-Glas
(PSG) durch LPCVD auf die POLY 0 Schicht 14 aufgebracht und
Teilen der Nitrid-Schicht 12 ausgesetzt. Diese PSG-Schicht,
die hier als ein erstes Oxid bezeichnet wird, wird am Ende des Verfahrens
entfernt, um die erste mechanische Schicht aus Polysilizium, POLY
1 (wird unten beschrieben) von seiner darunter liegenden Struktur,
nämlich
POLY 0 und die Siliziumnitrid-Schichten zu befreien. Diese Opferschicht
wird lithographisch mit einer DIMPLES(VERTIEFUNGEN)-Schablone gemustert,
um Vertiefungen 20 in der ersten Oxidschicht durch RIE
(5) bei einer Tiefe von 750 nm zu bilden. Der Wafer
wird dann mit einer dritten Schablonenschicht, ANKER 1, gemustert
und geätzt
(6), um Anker-Löcher 22 bereitzustellen,
die sich durch die erste Oxidschicht zur POLY 0 Schicht erstrecken.
Die ANKER-Löcher 1 werden im
nächsten
Schritt durch die POLY 1 Schicht 24 gefüllt.
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Nach
dem Ätzen
von ANKER 1 wird die erste strukturelle Schicht aus Polysilizium
(POLY 1) 24 mit einer Dicke von 2,0 μm aufgebracht. Eine dünne 200 nm
starke PSG-Schicht 26 wird dann über die POLY 1 Schicht 24 aufgebracht,
wobei der Wafer geglüht wird
(7), um die POLY 1 Schicht mit Phosphor von den
PSG-Schichten zu dotieren. Das Glühen verringert außerdem Spannungen
in der POLY 1 Schicht. Die POLY 1 und PSG-Schablonenschichten 24, 26 werden
lithographisch gemustert, um die Struktur der POLY 1 Schicht zu
bilden. Nach dem Ätzen
der POLY 1 Schicht (8) wird der Fotolack abgezogen
und die verbleibende Oxid-Schablone
durch RIE entfernt.
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Nachdem
die POLY 1 Schicht 24 geätzt ist, wird eine zweite PSG-Schicht
(nachfolgend "zweites Oxid") 28 aufgebracht
(9). Das zweite Oxid wird mittels zwei unterschiedlichen Ätzschablonen
mit unterschiedlichen Aufgaben gemustert.
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Zunächst sorgt
eine POLY 1_POLY 2_VIA Ätzung
(an 30 dargestellt) für Ätzlöcher im
zweiten Oxid nach unten zur POLY 1 Schicht 24. Diese Ätzung stellt
eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen der POLY 1
Schicht und der anschließenden
POLY 2 Schicht bereit. Die POLY 1_POLY 2_VIA Schicht wird lithographisch
gemustert und durch RIE geätzt
(10).
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Als
zweites wird eine ANKER 2 Ätzung
(an 32 dargestellt) bereitgestellt, um sowohl die erste
und die zweite Oxidschicht 18, 28 als auch die
POLY 1 Schicht 24 in einem Schritt zu ätzen (11). Für die ANKER
2 Ätzung
wird die zweite Oxidschicht lithographisch gemustert und durch RIE
in der gleichen Weise wie die POLY 1_POLY 2_VIA Ätzung geätzt. 11 zeigt
den Wafer-Querschnitt, nachdem sowohl die POLY 1_POLY 2_VIA Ätzung als
auch die ANKER 2 Ätzung
beendet wurden.
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Eine
zweite strukturelle Schicht, POLY 2 34, wird dann mit einer
Dicke von 1,5 μm
gefolgt von einem Aufbringen von 200 nm starker PSG aufgebracht.
Der Wafer wird dann geglüht,
um die POLY 2 Schicht zu dotieren und ihre restlichen Filmspannungen
zu verringern. Als Nächstes
wird die POLY 2 Schicht mit einer siebenten Schablone lithographisch gemustert
und die PSG und POLY 2 Schichten durch RIE geätzt. Der Fotolack kann dann
abgezogen werden, wobei das Schablonen-Oxid entfernt wird (13).
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Die
letzte aufgebrachte Schicht in dem MUMP-Verfahren ist eine 0,5 μm starke
Metallschicht, die für
das Sondieren, Bonden, die elektrische Leitungsführung und äußerst reflektierende Spiegelflächen sorgt.
Der Wafer wird mit der achten Schablone lithographisch gemustert,
wobei das Metall aufgebracht und mittels eines Abhebever fahrens gemustert
wird. Die letzte nicht freigegebene bzw. nicht gelöste, beispielhafte
Struktur wird in 14 gezeigt.
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Als
letztes werden die Wafer dem Lösen
der Opferschicht und einem Test mittels bekannter Verfahren unterzogen. 15 zeigt
die Vorrichtung, nachdem die Opferoxide gelöst wurden.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung durch das MUMP-Verfahren
entsprechend den oben beschriebenen Schritten hergestellt. Die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung setzt jedoch nicht die spezifischen Schablonen
ein, die im allgemeinen Verfahren nach 1–15 dargestellt
sind, sondern verwendet stattdessen Schablonen, die für die Struktur der
vorliegenden Erfindung bestimmt sind. Außerdem können sich die oben beschriebenen
Schritte für das
MUMP-Verfahren ändern,
wenn es durch das MEMS Technology Application Center vorgeschrieben
wird. Das Fertigungsverfahren ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung
und ist nur eines von mehreren Verfahren, die zur Herstellung der
vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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16 ist
eine schematische Seitenansicht eines optischen Anzeigesystems 50 mit
einer mikro-elektromechanischen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Anzeigesystem 50 weist eine Lichtquelle 52 und
einen Reflektor 54 auf, die Beleuchtungslicht auf eine
Kondensorlinse 58 richten. Ein Strahlteiler 60 empfängt das
Beleuchtungslicht von der Kondensorlinse 58 und reflektiert
das Licht zu einer Mikrolinsen-Gruppe 62 mit einer zweidimensionalen
Gruppe aus Lenslets 64 (nur eine Dimension ist dargestellt).
Die Lenslets 64 der Mikrolinsen-Gruppe 62 empfangen
das Beleuchtungslicht und fokussieren es durch Aperturen 66 in
einer Aperturplatte 68 zu einem reflektierenden Modulator 70 mit
einer mikro-elektromechanischen Struktur (MEMS). Die Mikrolinsen-Gruppe 62 könnte als
eine geformte Gruppe aus Kunststoff-Linsen oder einer Gruppe aus
holographischen Linsen, auch als Hololinsen bezeichnet, ausgebildet
sein oder sie könnte eine
zusammengesetzte Gruppe aus herkömmlichen Glaslinsen
sein.
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Der
reflektierende MEMS-Modulator 70 hat eine zweidimensionale
Gruppe aus Reflektoren 72 mit einer mikro-elektromechanischen
Struktur (MEMS), die gegenüber
entsprechenden Aperturen 66 in der Aperturplatte 68 positioniert
sind. Jeder MEMS-Reflektor 72 entspricht
einem Bildelement oder Pixel und kann durch ein Anzeige-Steuergerät 78 separat
gesteuert werden, um Beleuchtungslicht durch eine Apertur 66 entsprechend
einem Bild-Steuersignal selektiv zurück zu reflektieren, um dadurch ein
Anzeigebild zu bilden. Zum Beispiel würde jeder MEMS-Reflektor 72 Licht
durch seine Apertur 66 für ein Zeitmaß im Verhältnis zur
Helligkeit des entsprechenden Pixels für eine vorgegebene Pixeldauer
zurück
richten. Von den MEMS-Reflektoren 72 durch Aperturen 66 reflektiertes
Licht passiert durch Lenslets 64 und Strahlteiler 60 zu
einer hinteren Fläche 84 eines
durchlässigen
Anzeigebildschirms 86, um von einem Beobachter 88 betrachtet
zu werden. Bei einer alternativen Ausführung kann eine projizierende
Linsengruppe zwischen dem Strahlteiler 60 und dem durchlässigen Anzeigebildschirm 86 positioniert
sein, um das optische Feld zu vergrößern oder zu verringern, so
dass es eine gewünschte
Bildgröße auf dem durchlässigen Anzeigebildschirm 86 bereitstellt.
Der reflektierende MEMS-Reflektor 70, die Aperturplatte 68 und
die Mikrolinsen-Gruppe 62 können als eine Anzeigeeinheit 90 betrachtet
werden, die für
einen breiten Bereich von Anwendungen kompakt und effizient hergestellt
werden kann.
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Das
optische MEMS-Anzeigesystem 50 hat eine Reihe von Vorteilen
gegenüber
den üblich
verfügbaren
Flüssigkristallanzeigen.
Zum Beispiel erfordert es der reflektierende MEMS-Modulator 70 im Gegensatz
zu der typischen Funktionsweise von Flüssigkristall-Zellen nicht,
dass das Beleuchtungslicht polarisiert ist. Dies beseitigt die Ausgaben
und die Lichtdämpfung,
die die Polarisierung typischerweise begleiten. Darüber hinaus
kann der reflektierende MEMS-Modulator 70 nicht moduliertes
Licht mit praktisch keiner Dämpfung
passieren, wogegen typische Flüssigkristall-Zellen
Licht signifikant dämpfen. Ähnlich dazu
kann der reflektierende MEMS-Modulator 70 viel höhere Kontrastverhältnisse
bereitstellen als Flüssigkristall-Zellen,
da Licht entweder durch Aperturen 66 verlustfrei reflektiert
oder durch die Aperturplatte 68 vollständig blockiert wird, um eine
vollkommene Modulation des Lichtes bereitzustellen. Schließlich kann
der reflektierende MEMS-Modulator 70 durch herkömmliche CMOS- Schaltungsverfahren
hergestellt werden, ohne die komplexen Verfahren zu erfordern, die
typischerweise für
Flüssigkristallanzeigen
erforderlich sind.
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Bei
einer Ausführung
könnte
zum Beispiel der reflektierende MEMS-Modulator 70 eine
200×200 Gruppe
aus MEMS-Reflektoren 72 aufweisen, um das durch eine entsprechende
200×200
Gruppe von Aperturen 66 passierende Licht zu steuern. Bei
dieser Ausführung
könnte
zum Beispiel die Mikrolinsen-Gruppe 62 200×200 Lenslets 64 aufweisen,
die jeweils eine Brennweite von etwa 1 mm haben, wobei Aperturen 66 in
einer richtigen, regulären
Gruppe mit Zwischenräumen
von etwa 50 μm
zwischen ihnen positioniert sind. Ein reflektierender MEMS-Modulator 70 könnte bei
einer solchen Ausführung
Abmessungen von 1 cm × 1
cm haben. Mit Lenslets 64 der Projektionsmikrolinsen-Gruppe 80,
die eine Vergrößerung von
etwa 2,5 bereitstellt, könnte
der Anzeigebildschirm 86 Abmessungen von etwa 2,5 cm × 2,5 cm
oder etwa 1 Zoll × 1
Zoll haben.
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17 ist
eine schematische Seitenansicht eines optischen Anzeigesystems 150 mit
einer mikro-elektromechanischen Struktur (MEMS), die eine Ausführung einer
polychromen Beleuchtungsquelle und einen zugehörigen Reflektor 154 zeigt.
Die Bauteile des optischen MEMS-Anzeigesystems 150, die im
Allgemeinen die gleichen sind wie jene des Anzeigesystems 50,
sind durch die gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
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Die
Beleuchtungsquelle weist mehrere (z. B. drei) Lichtquellen (z. B.
Lampen) mit Farbbestandteilen 156R, 156G und 156B auf,
die im Allgemeinen in einer Reihe positioniert sind und rotes, grünes bzw. blaues
Licht erzeugen. Ein Anzeige-Steuergerät 158, das MEMS-Reflektoren 72 separat
steuert, aktiviert außerdem
separat die Lichtquellen mit Farbbestandteilen 156R, 156G und 156B.
Während
der Zeiten, in denen es aufeinanderfolgend die Lichtquellen mit den
Farbkomponenten 156R, 156G und 156B aktiviert,
legt das Anzeige-Steuergerät 158 Steuersignale
entsprechend den roten, grünen
und blauen Bildkomponenten an die MEMS-Reflektoren 72 an,
um dadurch Bilder mit Farbkomponenten in einem Halbbildfolgeverfahren
zu bilden.
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Zum
Beispiel können
Bilder mit Farbkomponenten, die bei einer Rate von 180 Hz erzeugt
werden, eine Bildrahmen-Rate von 60 Hz bereitstellen. Bei einer
beispielhaften Ausführung
könnte
eine Anzeige von 200×200
mehrfarbigen Pixeln Mikrolinsen-Gruppen 62 mit
einer 204×204
Gruppe von Lenslets 64 einsetzen, um unterschiedliche optische Wege
auszugleichen, die durch unterschiedliche Farbkomponenten des Lichts
genommen werden, das die Anzeigeskala bildet. Die Aperturplatte 68 und der
reflektierende MEMS-Modulator 70 würden entsprechende Gruppen
von Aperturen 66 bzw. Reflektoren 72 aufweisen.
Als eine alternative Ausführung wird
man erkennen, dass man mehrere aufeinanderfolgende Beleuchtungsfarben
durch ein sich drehendes Farbrad und eine weiße Lichtquelle erhalten könnte, wie
in der Technik bekannt ist.
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18 und 19 sind
schematische Seitenansichten eines beispielhaften MEMS-Aktors 170 in
einem jeweils aktivierten und entspannten Zustand zum Steuern des
MEMS-Reflektors 72. 18 zeigt einen
MEMS-Reflektor 72 mit einer Ausrichtung, hinter eine zugehörige Apertur 66 im
Allgemeinen rechtwinklig zu einer Lichtausbreitungsrichtung 172.
In diesem aktivierten Zustand mit der Anzeige auf AN wird das durch
die Apertur 66 gerichtete Beleuchtungslicht vom MEMS-Reflektor 72 durch
die Apertur 66 zurück
reflektiert, so dass es in einem Anzeigebild enthalten ist. 19 zeigt
den MEMS-Reflektor 72 mit einer geneigten oder gekippten
Ausrichtung relativ zur Lichtausbreitungsrichtung 172.
In diesem entspannten Zustand mit der Anzeige auf AUS wird das durch
die Apertur 66 gerichtete Beleuchtungslicht vom MEMS-Reflektor 72 in
Richtung einer festen Region der Aperturplatte 68 reflektiert,
so dass es blockiert und von einem Anzeigebild ausgeschlossen ist.
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20 ist
eine Draufsicht des MEMS-Aktors 170, wobei 21 und 22 Seitenansichten
des MEMS-Aktors 170 in einem jeweils aktivierten und entspannten
Zustand sind. Der MEMS-Aktor 170 ist einer aus einer Vielfalt
von MEMS-Aktoren, die verwendet werden könnten, um den MEMS-Reflektor 72 zu
steuern.
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Der
MEMS-Aktor 170 ist eine Ausführung eines elektrostatischen
Aktors und weist einen strukturellen Anker 174 (21 und 22)
auf, der an einem Substrat 176 (z. B. Substrat 10 oder
Nitrid-Schicht 12, nicht dargestellt) befestigt ist. Ein Ende 177 eines einseitig
eingespannten flexiblen Arms 178 ist am Anker 174 befestigt
oder einstückig damit
ausgebildet und erstreckt sich zu einem freien oder schwebenden
Flügelende 180 (in 20 dargestellt),
das den MEMS-Reflektor 72 (z. B. aus Gold ausgebildet)
trägt.
Der flexible Arm 178 weist eine Armunterlage 181 aus
einem Halbleiter (z. B. Polysilizium) und eine Restspannungsschicht 182 aus
einem anderen Material als der Halbleiter (z. B. Polysilizium) der
Armunterlage 181 auf.
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Die
Restspannungsschicht 182 ist aus einem Material (z. B.
Gold) ausgebildet, das so ausgewählt wird,
dass es einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich von dem des
Halbleitermaterials (z. B. Polysilizium) der Armunterlage 181 unterscheidet.
Bei der veranschaulichten Ausführung
ist die Restspannungsschicht 182 auf der oberen Fläche der
Armunterlage 181 ausgebildet. Die sich unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Armunterlage 181 und Gold und Restspannungsschicht 182 charakterisieren
den flexiblen Arm 178 als ein Bimorph.
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Optionale
Gelenkrillen 184 können
sich in eine obere Fläche
der Armunterlage 181 erstrecken und erstrecken sich über ihre
Länge entweder
teilweise oder vollständig
(das zuerst gezeigte). Die Gelenkrillen 184 sind voneinander
beabstandet und hegen im Allgemeinen rechtwinklig zur Länge des
flexiblen Arms 178. Bei einer Ausführung ist die Restspannungsschicht 182 zwischen
den optionalen Gelenkrillen 184 ausgebildet, wenn sie vorhanden
sind.
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Der
MEMS-Aktor 170 weist eine oder mehrere elektrostatische
Aktivierungselektroden 190 auf, die in oder auf dem Substrat 176 mit
voneinander beabstandeten Intervallen längs und unterhalb des flexiblen
Arms 178 ausgebildet sind. Die Aktivierungselektroden 190 und
der flexible Arm 178 sind mit den jeweiligen Aktor-Steuergeräten 192 und 177 elektrisch
verbunden. Eine optionale Speicher- oder Sperrelektrode 196 ist
unter dem schwebenden Flügelende 180 ausgebildet
und mit einem optionalen Speicher-Steuergerät 198 elektrisch verbunden.
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In
dem in 21 veranschaulichten aktivierten
Zustand mit der Anzeige auf AN werden ergänzende Signale oder elektrische
Zustände
durch die Aktor-Steuergeräte 192 und 177 an
die jeweiligen Aktivierungselektroden 190 und den flexiblen
Arm 178 an gelegt, um eine elektrostatische Anziehung zwischen
ihnen zu übertragen.
Die elektrostatische Anziehung zwischen den Aktivierungselektroden 190 und
dem flexiblen Arm 178 wirkt so, dass der flexible Arm 178 im
Allgemeinen flach gegen das Substrat 176 gehalten wird.
Eine separate Aktivierung des optionalen Speicher-Steuergerätes 198,
das mit einer Speicherelektrode 200 verbunden ist, kann
dann dazu dienen, den flexiblen Arm 178 im Allgemeinen flach
gegen das Substrat 176 zu halten, selbst nachdem die für die Aktivierungselektroden 190 und
den flexiblen Arm 178 bereitgestellten ergänzenden
Signale entspannt sind.
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Abstehende
Vertiefungen 202, die sich vom flexiblen Arm 178 zum
Substrat 176 erstrecken, halten den flexiblen Arm 178 in
einem beabstandeten Verhältnis
zum Substrat 176 im aktivierten Zustand mit der Anzeige
auf AN. Die Vertiefungen 202 kontaktieren die elektrisch
isolierende (z. B. Nitrid-Schicht) des Substrats 176. Eine
Vertiefung 202 am Ende des Flügelendes 180 hält außerdem den
Reflektor 72 im aktivierten Zustand mit der Anzeige auf
AN flach (d. h. parallel zum Substrat 176) sowie den flexiblen
Arm 178 von der Speicherelektrode 200 beabstandet.
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In
dem in 22 veranschaulichten entspannten
Zustand mit der Anzeige auf AUS werden ergänzende Signale oder elektrische
Zustände
von den Aktor-Steuergeräten 192 und 177 nicht
an die jeweiligen Aktivierungselektroden 190 und den flexiblen
Arm 178 angelegt, oder die ergänzenden Signale sind nicht
ausreichend, um den Aktor 170 zu aktivieren. Ebenso ist
das optionale Speicher-Steuergerät 198 nicht
aktiviert. Dementsprechend dient die Restspannung zwischen der Armunterlage 181 und
der Restspannungsschicht 182 dazu, den flexiblen Arm 178 aus
der Ebene des darunter liegenden Substrats 176 zu biegen,
zu kippen oder zu "rollen", wie in 21 veranschaulicht
ist.
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Bei
einer Ausführung
ruht der Reflektor 72 in dem entspannten Zustand mit der
Anzeige auf AUS bei einer Ausrichtung von etwa 12 Grad mit Bezug auf
das Substrat 176. Bei einer Ausführung wird eine Übergangszeit
von etwa 1 ms benötigt,
um den Aktor 170 zu aktivieren oder freizugeben (d. h.,
der Wechsel zwischen dem entspannten Zustand mit der Anzeige auf
AUS und dem aktivierten Zustand mit der An zeige auf AN). Man wird
erkennen, dass diese Übergangszeit
geändert
und im Wesentlichen verringert werden kann.
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23 ist
eine schematische grafische Darstellung einer 2×2 Gruppe 210 aus
Aktoren 170 mit einem Speicherungs- oder Speichervermögen, um die
Funktionsweise der Aktoren 170 zu veranschaulichen. Die
Funktionsweise der Gruppe 210 wird mit Bezug auf die folgenden
Aktivierungs- oder Steuersignale beschrieben:
Vse = Speicherelektrodenspannung
Ry
= Spiegelarmspannung für
Reihe – y
Cx
= Betätigungselektrodenspannung
für Spalte – x
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Als
eine beispielhafte Ausführung
wird die Betätigung
eines einzelnen Aktors 170 an einer Stelle CxRy in der
Gruppe 210 (z. B. die Stelle C1R2) in den aktivierten Zustand
mit der Anzeige auf AN durch Anlegen einer Reihen-Aktivierungsspannung
(z. B. +60 Volt) an eine Reihenelektrode Ry (z. B. R2) ausgeführt, die
die Reihen-Aktivierungsspannung
zum flexiblen Arm 178 von jedem Aktor in der Reihe liefert. Eine
Spalten-Aktivierungsspannung (z. B. –60 Volt) wird an eine Spaltenelektrode
Cx (z. B. C1) angelegt, die die Spalten-Aktivierungsspannung zu
den Aktivierungselektroden 190 von jedem Aktor 170 in
der Spalte liefert. Diese beispielhafte Reihen- und Spalten-Aktivierungsspannungen
errichten am Aktor 170 an einer Stelle CxRy in der Gruppe 210 (z.
B. die Stelle C1R2) eine Spannungsdifferenz von 120 Volt zwischen
dem flexiblen Arm 178 und den Aktivierungselektroden 190.
Mit einer Spannungsdifferenz von mindestens 114 Volt, die für eine Betätigung benötigt wird,
ist die Differenz von 120 Volt ausreichend, um den Aktor 170 zu
aktivieren.
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Die
Aktivierungsspannungen müssen
nur vorübergehend
angelegt werden, wenn eine Speicher- oder Speicherungsspannung an
die Speicherelektrode 200 angelegt wird, um eine Differenz
relativ zur zum flexiblen Arm 178 gelieferten Reihen-Aktivierungsspannung
zu errichten. Im Besonderen müssen die
Aktivierungsspannungen nur lange genug (z. B. 1 ms bei einer Ausführung) angelegt
werden, damit der flexible Arm 178 zur Speicherelektrode 200 abgelenkt
und von ihr gehalten wird.
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Bei
anderen Reihen- und Spalten-Elektroden als die Reihenelektrode Ry
und die Spaltenelektrode Cx, die an einem mittleren Potenzial (z.
B. 0 Volt bei einer Ausführung)
gehalten werden, wird das Anlegen der Reihen-Aktivierungsspannung
an die Aktivierungs-Reihenelektrode Ry und der Spalten-Aktivierungsspannung
an die Spalten-Elektrode Cx so wirken, dass nur der Aktor 170 an
der Stelle CxRy aktiviert wird. Bei Ry = +60 Volt und Cx = –60 Volt
werden zum Beispiel andere Aktoren 170 in der Reihe Ry
und der Spalte Cx jeweils eine Spannungsdifferenz von nur 60 Volt
empfangen, die für
eine Betätigung
nicht ausreichend ist. Bei einer unter Spannung stehenden Speicher-
oder Speicherungselektrode 200 werden darüber hinaus
alle Aktoren 170, die nicht speziell aktiviert sind, ihren
vorherigen Zustand beibehalten. Zum Beispiel kann die Speicher-
oder Speicherungselektrode 200 mit einer Spannung von zum
Beispiel +60 Volt gespeist werden. Ein solches Speicher- oder Speicherungspotenzial
errichtet zwischen allen Speicherelektroden 200 und Aktoren 170,
die nicht speziell aktiviert oder adressiert wurden, eine Differenz von
wenigstens 25 Volt, die ausreichend ist, um sie in dem Zustand mit
der Anzeige auf AN zu halten.
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Aktoren 170 können so
angesehen werden, dass sie einen Betätigungs-(oder Aktivierungs-)Zustand,
in dem der Reflektor 72 in eine flache (d. h., parallel
zum Substrat 176) Position für den aktivierten Zustand mit
der Anzeige auf AN bewegt wird, einen Freigabezustand, in dem der
Reflektor 72 von der flachen (d. h., parallel zum Substrat 176)
Position freigegeben wird und sich aus der Ebene für den entspannten
Zustand mit der Anzeige auf AUS rollt, und einen Speicherzustand
haben, in dem der Reflektor 72 in der flachen (d. h., parallel
zum Substrat 176) Position nach der Betätigung gehalten wird. Der Betätigungszustand
und der Speicherzustand können durch
die folgenden Gleichungen dargestellt werden: Axy = |Ry – Cx| = Betätigungs-Potenzialdifferenz
für Spiegel
RyCx Hxy = |Ry – Vse| = Halte-Potenzialdifferenz über Speicherelektrode
für Spiegel
an Ry
- Betätigung (aus dem freigegebenen
Zustand)
der Spiegel wird in den betätigten Zustand (nach unten)
nur übergehen,
wenn Axy > 114
Volt.
- Freigabe (aus dem betätigten
Zustand)
der Spiegel wird in den freigegebenen Zustand (nach oben)
nur übergehen,
wenn Axy < 53
Volt und Hxy < 25 Volt
- Speicher
der Spiegel wird seinen aktuellen Zustand nur
beibehalten, wenn
Axy > 53 Volt oder Hxy > 25
Volt, wenn Zustand = betätigt
Axy < 114
Volt wenn Zustand = freigegeben.
-
24 ist
eine bruchstückhafte,
schematische grafische Darstellung einer 50×50 Gruppe von Aktoren 170 mit
einem Speicherungs- oder Speichervermögen. Die Gruppe verwendet 50
Reihenelektroden 232, die mit entsprechenden Reihentreibern 234 gekoppelt
sind, 50 Spaltenelektroden 236, die mit entsprechenden
Spaltentreibern 238 gekoppelt sind, und eine gemeinsame
Speicherelektrode 240 für
alle mit einem Speichertreiber 242 verbundenen Aktoren 170.
Man wird erkennen, dass die Reihentreiber 234 und Spaltentreiber 238 einen
individuellen Treiber für jede
der jeweiligen Elektroden 232 und 236 oder eine geringere
Anzahl von Treibern aufweisen können,
die zwischen den Elektroden multiplexiert werden. Die Treiber 234, 238 und 242 und
weitere Electronik können
auf dem Substrat 176 oder abhängig von der Komplexität, der Verpackung
und der Wirtschaftlichkeit als separate Vorrichtungen ausgebildet
sein. Ein Anzeigeprozessor 244 empfängt Anzeigesignale von einer
Anzeigeeingabe 246 und stellt entsprechende Steuersignale
für die
Treiber 234, 238 und 242 bereit.
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Bei
dieser Ausführung
schalten die Reihentreiber 234 zwischen 0 und +60 Volt,
wobei die Spaltentreiber 238 zwischen 0, +60 und –60 Volt
schalten. Der Speicher-Elektrodentreiber 242 schaltet
zwischen 0 und +60 Volt. Wenn die Aktoren 170 aufeinanderfolgend
adressiert werden, wird eine Dauer von etwa 50 × 50 × 1 ms oder 2,5 Sekunden benötigt, um alle
Aktoren 170 in der Gruppe zu adressieren. Man wird erkennen,
dass nur jene Aktoren 170 mit einem Reflektor 72,
die eine Änderung
des Zustands erfordern, adressiert werden müssen. Demzufolge will weniger
Zeit erforderlich sein, wenn weniger als alle Aktoren 170 adressiert
werden müssten.
Wenn 50 Reihentreiber 234 und 50 Spaltentreiber 238 verwendet
werden, können
ganze Rei hen oder Spalten gleichzeitig adressiert und die Aktoren 170 in
den Reihen oder Spalten parallel aktiviert werden, wobei dadurch
die Gruppen-Adressierungsdauer auf etwa 50 ms gesenkt wird.
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25 ist
ein Ablaufdiagramm eines Zeilenfolge-Adressierungsverfahrens 250,
das mit Bezug auf die beispielhafte Ausführung des oben beschriebenen
Aktors 170 und der Gruppe beschrieben wird. Man wird erkennen,
dass das Zeilenfolge-Adressierungsverfahren 250 ohne weiteres
an andere Ausführungen
von Aktoren 170 und Gruppen angepasst werden könnte.
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Der
Schritt 252 kennzeichnet einen Schritt "Alles Löschen", in dem zum Beispiel die Reflektoren 72 von
allen Aktoren 170 in der Gruppe in einen entspannten Nicht-Anzeigezustand
zurückgeführt werden.
Der Schritt 252 Alles Löschen
ist optional und kann durch die folgenden Treiberspannungen dargestellt
werden:
Vse = Ry = Cx = 0 Volt (für alle x und y).
-
Der
Schritt 254 kennzeichnet einen Schritt "Armspeicher", in dem die Speicherelektroden 240 für alle Aktoren 170 durch
den Speichertreiber 242 aktiviert oder unter Spannung gesetzt
werden. Der Armspeicher vom Schritt 254 kann durch die
folgende Treiberspannung dargestellt werden:
Vse = +60 Volt.
-
Der
Schritt 254 legt +60 Volt an die Speicherelektroden 240 an,
so dass jeglicher aktivierte Aktor 170 in seinem aktivierten
Zustand mit der Anzeige auf AN bis zur Freigabe gehalten wird. Dieser
Schritt beeinflusst Aktoren im entspannten Zustand mit der Anzeige
auf AUS nicht, da die Aktivierung der Speicherelektroden 240 nicht
ausreichend ist, um einen Aktor 170 im entspannten Zustand
zu aktivieren.
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Der
Schritt 256 kennzeichnet einen Schritt "Beginn", in dem ein Zähler von Reihen oder Spalten (z.
B. Reihen) mit einem Wert "1" initialisiert wird.
Der Schritt 258 stellt den Reihenzähler "i" auf
eine erste Reihe von Aktoren 170 in der Gruppe ein. Der
Beginn des Schrittes 256 kann dargestellt werden als: Einstellen
von "i" = 1.
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Der
Schritt 258 kennzeichnet einen Schritt "Einstellen der Reihe-i", in dem die Speicherelektroden 240 für alle Aktoren 170 durch
den Speichertreiber 242 aktiviert oder unter Spannung gesetzt
werden. Der Schritt 258 zum Einstellen der Reihe-i kann durch
die folgenden Treiberspannungen dargestellt werden:
Einstellen
Ry = i = +60 Volt
Cx = Datenzustände für Ry = iC1, Ry = iC2, ...,
Ry = iC50.
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Zum
Aktivieren von Aktoren 170 in der Reihe-i (Ry = i = +60
Volt), wird Cx = –60
Volt eingestellt, wobei eine Aktivierungsdifferenz angegeben wird:
(Ax,y
= i = |60 – (60)|
= 120 Volt => Spiegel
ist betätigt).
-
Zum
Freigeben der Aktoren 170 in Reihe-i (Ry = i = +60 Volt),
wird Cx = +60 Volt eingestellt, wobei eine Freigabedifferenz angegeben
wird:
(Ax,y = j = |60 – 60|
= 0 Volt, Hx,y = j = |60 – 60|
= 0 Volt (kein Halten).
-
Für andere
Spiegel als in der Reihe-i (Ry ≠ i =
0 Volt)
Ax,y ≠ i
= |0 – Rx|
= (0 oder 60) Volt nicht ausreichend für Betätigung.
Hx,y ≠ i = |0 – 60| =
60 Volt ausreichend zum Halten der Zustände.
-
Es
wird angemerkt, dass es keine Haltefunktion in der Reihe-i in diesem
Schritt gibt, da Hx,y = i = 0 Volt. Demzufolge stellt der Schritt 258 die
Zustände der
Aktoren 170 in der Reihe-i auf ihre erforderlichen neuen
Positionen ein (oder gibt früher
betätigte
und gehaltene frei).
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Der
Schritt 260 kennzeichnet einen Schritt "Alles Halten", in dem alle Reihen- und Spaltenelektroden
auf ein neutrales Potenzial (z. B. 0 Volt) eingestellt werden und
die Speicherelektroden 240 für alle Aktoren 170 durch
den Speichertreiber 242 zum Halten der aktuellen Zustände ausreichend
aktiviert oder unter Spannung gesetzt wird. Das Alles Halten vom Schritt 260 kann
durch die folgenden Treiberspannungen dargestellt werden.
Alle
Ry = 0 Volt und alle Cx = 0 Volt
Hxy = 60 Volt.
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Der
Schritt 262 kennzeichnet einen Schritt "Zunehmende Reihe", in dem der Zähler "i" durch
die Zählung
von Eins zunimmt. Der Schritt 262 kehrt wiederholt zum
Schritt 258 zurück,
bis alle Reihen adressiert sind (z. B., bis zur Zählung "i" = 50). Der Schritt 262 geht
zum Schritt 264 weiter.
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Der
Schritt 264 kennzeichnet einen Schritt "Wiederholen", der zum Schritt 256 zurückkehrt.
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Bei
der oben beschriebenen beispielhaften Ausführung errichtet ein Aktivierungspotenzial
von mehr als 114 Volt zwischen dem flexiblen Arm 178 und
den Aktivierungselektroden 190 ausreichende elektrostatische
Kraft, um den gerollten flexiblen Arm 178 in seinen entspannten
Zustand zum Substrat 176 hin zu ziehen. Infolgedessen werden
die Vertiefungen 202 gegen das Substrat 176 gezogen,
wobei der Reflektor 72 flach, nominal bei 0 Grad, in einem
aktivierten Zustand mit der Anzeige auf AN liegt.
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26 ist
ein Diagramm 280, das die Hysterese-Charakteristiken von
einem Aktor 170 mit Bezug auf die angelegten Spannungsdifferenzen
veranschaulicht. Gemäß 26 weist
Aktor 170 Hysterese-Effekte derart auf, dass nach der Aktivierung
bei etwa 114 Volt die angelegte Spannungsdifferenz unter 53 Volt
verringert werden muss, damit der Aktor 170 freigegeben
wird.
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Ein
unteres horizontales Segment 282 veranschaulicht, dass
die Spannungsdifferenz zwischen den Aktivierungselektroden 190 und
dem flexiblen Arm 178 auf etwa 114 Volt erhöht werden
muss, um den flexiblen Arm 178 aus einem entspannten, nach oben
gerichteten Zustand in einen aktivierten, nach unten gerichteten
Zustand zu bewegen, wobei der Übergang
durch ein vertikales Segment 284 veranschaulicht ist. Das
obere horizontale Segment 286 veranschaulicht, dass die
Spannungsdifferenz dann auf etwa 53 Volt gesenkt werden muss, um
den flexiblen Arm 178 aus einem aktivierten, nach unten
gerichteten Zustand in einen entspannten, nach oben gerichteten
Zustand zu bewegen, wobei der Übergang
durch das vertikale Segment 288 veranschaulicht ist.
-
Ein
durch Speicher aktiviertes Segment 290 veranschaulicht
die Aktivierung von Speicherelektroden 240 und zeigt, dass
der flexible Arm 178 in dem aktivierten, nach unten gerichteten
Zustand verbleibt, selbst wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Aktivierungselektroden 190 und
dem flexiblen Arm 178 auf unter 53 Volt verringert wird.
Bei der veranschaulichten Ausführung
beinhaltet die Aktivierung von Speicherelektroden 240 eine
Spannungsdifferenz von mehr als 25 Volt (z. B. 60 Volt) zwischen
der Speicherelektrode 240 und dem flexiblen Arm 178. Im
Gegensatz dazu veranschaulicht ein durch Speicher nicht aktiviertes
Segment 292 das Nichtvorhandensein der Aktivierung von
Speicherelektroden 240 (z. B. 0 Volt) und zeigt den flexiblen
Arm 178, der in seinen entspannten, nach oben gerichteten
Zustand zurückkehrt,
wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Aktivierungselektroden 190 und
dem flexiblen Arm 178 auf unter 53 Volt verringert wird.
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Mit
Bezug auf das beispielhafte MUMP-Herstellungsverfahren kann die
Armunterlage 181 als ein einzeln eingespannter Freiträger aus
einem 1,5 μm dicken
Polysilizium ausgebildet sein, das auf der Poly 2 Schicht gemustert
ist. Die Aktivierungselektrode 190 kann aus der Poly 0
Schicht ausgebildet sein. Die Vertiefungen 202 können in
der Poly 2 Schicht mit einem Anker 1 (d. h. ein Loch in der 2 μm starken Oxid
1 Schicht) ausgebildet sein, so dass ein Abstehen von 2 μm bereitgestellt
wird, um da durch zu verhindern, dass die untere Hauptfläche des
flexiblen Arms 178 bei Betätigung mit der Aktivierungselektrode 190 in
elektrischen Kontakt kommt. Die Restspannungsschicht 182 kann
als eine 0,5 μm
dicke Schicht aus Gold ausgebildet sein. Der Reflektor 72 kann ebenfalls
mit Gold beschichtet sein, um das optische Reflexionsvermögen zu erhöhen.
-
Das
Flügelende 180 des
flexiblen Arms 178 kann so ausgebildet sein, dass es dem
Aufrollen durch die Restspannungseigenschaften vom Rest des Arms 178 widersteht. 27 ist
eine schematische Seitenschnittansicht einer Ausführung des
Flügelendes 180,
das als eine relativ dicke Verbundstruktur 300 aus zum
Beispiel einer 1,5 μm
dicken Schicht 302 aus Poly 2 (d. h. das Material der Armunterlage 181)
sowie einer 2 μm
dicken Schicht 304 aus Poly 1 (die die Vertiefungen 202 aufweist)
und einer 0,75 μm
dicken Schicht 306 aus eingeschlossenem Oxid 2 zwischen
den Schichten 302 und 304 ausgebildet ist.
-
Teile
der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels betreffen Schritte
des oben beschriebenen MUMP-Herstellungsverfahrens. Wie oben angedeutet
ist, ist MUMP jedoch ein allgemeines Herstellungsverfahren, das
einen breiten Bereich von MEMS-Vorrichtungsausführungen aufnimmt. Folglich
wird ein Herstellungsverfahren, das speziell für die vorliegende Erfindung
entworfen wird, wahrscheinlich andere Schritte, zusätzliche
Schritte, andere Abmessungen und Dicke und andere Materialien aufweisen.
Derartige spezifische Herstellungsverfahren liegen im Kenntnisbereich
des Fachmanns fotolithografischer Verfahren und sind nicht Teil
der vorliegenden Erfindung.
-
Angesichts
der vielen möglichen
Ausführungsbeispiele,
auf die die Grundsätze
unserer Erfindung angewandt werden können, sollte erkannt werden,
dass die ausführlich
dargestellten Ausführungsbeispiele
nur veranschaulichend sind und nicht als Einschränkung des Umfangs unserer Erfindung
angesehen werden sollten. Stattdessen beanspruche ich als meine
Erfindung alle derartigen Ausführungsbeispiele,
wie sie in den Umfang der folgenden Ansprüche und den Entsprechungen
dazu fallen können.