TW201541120A - 類比干涉調變器 - Google Patents

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Abstract

本發明描述用於校準並控制一經組態以具有複數個致動狀態之類比干涉調變器之致動的方法及裝置。本發明亦描述用於以一作為一所施加電壓之一函數而作出回應之方式來校準一類比干涉調變器的裝置及方法。

Description

類比干涉調變器
本發明係關於用於類比干涉調變器之驅動方案及校準方法。
微機電系統(MEMS)包括微機械元件、致動器及電子裝置。可使用沈積、蝕刻，及/或蝕刻掉基板及/或所沈積材料層之多個部分或者添加層的其他微機械加工製程來產生微機械元件，以形成電裝置及機電裝置。一類型之MEMS裝置被稱為干涉調變器。如本文中所使用，術語「干涉調變器」或「干涉光調變器」指代使用光學干涉原理以光譜選擇性方式吸收及/或反射光的裝置。在某些實施例中，干涉調變器可包含一對導電板，該對導電板中之一者或兩者可完全或部分為透明及/或反射性的，且能夠在施加適當電信號後即進行相對運動。在一特定實施例中，一板可包含沈積於基板上之固定層，且另一板可包含藉由氣隙而與該固定層分離的金屬膜。如本文中更詳細描述，一板相對於另一板之位置可改變入射於干涉調變器上之光的光學干涉。此等裝置具有廣泛範圍之應用，且在此項技術中利用及/或修改此等類型之裝置的特性以使得其特徵可在改良現有產品及產生尚未開發之新產品時被採用將為有益的。
12a‧‧‧干涉調變器/像素
12b‧‧‧干涉調變器/像素
14‧‧‧可移動反射層/金屬材料
14a‧‧‧可移動反射層
14b‧‧‧可移動反射層
16‧‧‧光學堆疊
16a‧‧‧光學堆疊
16b‧‧‧光學堆疊
18‧‧‧柱/支撐件
19‧‧‧間隙
20‧‧‧透明基板
21‧‧‧處理器
22‧‧‧陣列驅動器
24‧‧‧列驅動器電路
26‧‧‧行驅動器電路
27‧‧‧網路介面
28‧‧‧圖框緩衝器
29‧‧‧驅動器控制器
30‧‧‧顯示陣列或面板/顯示器
32‧‧‧繫栓
34‧‧‧可變形層
40‧‧‧顯示裝置
41‧‧‧外殼
42‧‧‧支撐柱插塞
43‧‧‧天線
44‧‧‧匯流排結構
45‧‧‧揚聲器
46‧‧‧麥克風
47‧‧‧收發器
48‧‧‧輸入裝置
50‧‧‧電源供應器
52‧‧‧調節硬體
800‧‧‧類比干涉調變器
802‧‧‧上部電極
803‧‧‧加強層
804‧‧‧絕緣柱
806‧‧‧中間電極
808‧‧‧加強層
810‧‧‧下部電極
812‧‧‧基板
814‧‧‧鈍化層
900‧‧‧類比干涉調變器
902‧‧‧上部電極
903‧‧‧加強層
906‧‧‧中間電極
908‧‧‧加強層
910‧‧‧下部電極
912‧‧‧基板
914‧‧‧薄介電鈍化層
916‧‧‧電阻元件
1100‧‧‧類比干涉調變器
1102‧‧‧上部電極
1104‧‧‧絕緣柱
1106‧‧‧中間電極
1110‧‧‧下部電極
1118‧‧‧電荷泵
1120‧‧‧控制電路/控制電壓
1122‧‧‧開關
1200‧‧‧類比干涉調變器
1202‧‧‧上部電極
1206‧‧‧中間電極
1210‧‧‧下部電極
1212‧‧‧基板
1230‧‧‧位置
1232‧‧‧位置
1234‧‧‧位置
1236‧‧‧位置
1300‧‧‧類比干涉調變器
1302‧‧‧上部電極
1303‧‧‧鈍化層
1306‧‧‧中間電極
1310‧‧‧下部電極
1314‧‧‧鈍化層
1320‧‧‧控制電路
1340‧‧‧寄生電容
1342‧‧‧寄生電容
1344‧‧‧電容器
1500‧‧‧干涉調變器
1502‧‧‧上部電極
1506‧‧‧中間電極
1510‧‧‧下部電極
1516‧‧‧電阻元件或柱
1520‧‧‧控制電路
1522‧‧‧開關
1548‧‧‧源電阻
圖1為描繪一干涉調變器顯示器之一實施例之一部分的等角視圖，其中第一干涉調變器之可移動反射層處於鬆弛位置，且第二干涉 調變器之可移動反射層處於致動位置。
圖2為說明併有一3×3干涉調變器顯示器之電子裝置之一實施例的系統方塊圖。
圖3為圖1之干涉調變器之一例示性實施例的可移動鏡位置對所施加電壓的圖式。
圖4為可用以驅動一干涉調變器顯示器之一組列電壓及行電壓的說明。
圖5A及圖5B說明可用以將顯示資料之圖框寫入至圖2之3×3干涉調變器顯示器的列信號及行信號之一例示性時序圖。
圖6A及圖6B為說明包含複數個干涉調變器之視覺顯示裝置之一實施例的系統方塊圖。
圖7A為圖1之裝置之橫截面。
圖7B為一干涉調變器之一替代實施例之橫截面。
圖7C為一干涉調變器之另一替代實施例之橫截面。
圖7D為一干涉調變器之又一替代實施例之橫截面。
圖7E為一干涉調變器之一額外替代實施例之橫截面。
圖8為具有三個層之干涉調變器之一實施例的橫截面，其中可移動中間層處於鬆弛位置。
圖9為具有安置於第一層上之電阻元件的圖8之實施例之干涉調變器的橫截面。
圖10為具有一控制電路的圖8之實施例之干涉調變器的橫截面。
圖11為說明不同致動位置的圖8之實施例之干涉調變器的橫截面。
圖12為經設計以補償寄生電容的圖8之實施例之干涉調變器的說明。
圖13為校準圖9之實施例之干涉調變器的過程之一實施例的流程 圖。
圖14A至圖14E說明校準過程之一實施例之各個階段中的圖9之實施例之干涉調變器。
以下實施方式係針對某些具體實施例。然而，可以眾多不同方式來應用本文中之教示。在此描述中，參看圖式，其中相似部分始終用相似數字來指明。可在經組態以顯示影像(無論是運動影像(例如，視訊)抑或靜止影像(例如，靜態影像)，且無論是文字影像抑或圖片影像)之任何裝置中實施該等實施例。更特定言之，預期該等實施例可實施於諸如(但不限於)以下各者之多種電子裝置中或與該等電子裝置相關聯：行動電話、無線裝置、個人資料助理(PDA)、手持型或攜帶型電腦、GPS接收器/導航器、相機、MP3播放器、攝錄一體機、遊戲控制台、腕錶、時鐘、計算器、電視監視器、平板顯示器、電腦監視器、汽車顯示器(例如，里程錶顯示器等)、駕駛艙控制及/或顯示器、相機視野顯示器(例如，車輛中的後視相機之顯示器)、電子照片、電子廣告牌或標誌、投影儀、建築結構、封裝及美學結構(例如，一件珠寶上之影像顯示)。與本文中所描述之MEMS裝置結構類似的MEMS裝置亦可用於諸如電子開關裝置之非顯示應用中。
在本文中描述與類比干涉調變器有關之方法及裝置。可將一類比干涉調變器驅動至各自具有不同光學性質之若干不同狀態。具體言之，描述用於校準並控制一類比干涉調變器之致動以達成各種狀態的方法及裝置。
在圖1中說明一包含干涉MEMS顯示元件之干涉調變器顯示器實施例。在此等裝置中，每一像素處於明亮或黑暗狀態。在明亮(「鬆弛」或「打開」)狀態下，顯示元件將入射可見光之大部分反射至使用者。當處於黑暗(「致動」或「關閉」)狀態時，顯示元件向使用者 反射極少入射可見光。視實施例而定，可顛倒「接通」與「斷開」狀態之光反射性質。MEMS像素可經組態以主要在選定顏色下反射，從而允許除黑色及白色之外的彩色顯示。
圖1為描繪一視覺顯示器之一系列像素中之兩個鄰近像素的等角視圖，其中每一像素包含一MEMS干涉調變器。在一些實施例中，一干涉調變器顯示器包含此等干涉調變器之一列/行陣列。每一干涉調變器包括一位於距跨越可見光譜或多或少均勻地吸收光能量之另一層可變且可控距離處的高反射層，從而形成一可控光學間隙。在一實施例中，該反射層可在兩個位置之間移動。在第一位置(在本文中稱為鬆弛位置)中，可移動反射層位於距該吸收層相對大距離處。在第二位置(本文中稱為致動位置)中，可移動反射層位於更緊密鄰近於該吸收層處。自反射層反射之入射光在反射層與吸收層之間的間隙內建設性地或破壞性地進行干涉，此判定來自像素之反射處於高反射狀態抑或高吸收狀態。
圖1中之像素陣列之所描繪部分包括兩個鄰近干涉調變器12a及12b。在左邊之干涉調變器12a中，可移動反射層14a經說明為處於與光學堆疊16a相距一預定距離之鬆弛位置中，光學堆疊16a包括一部分反射層。在右邊之干涉調變器12b中，可移動反射層14b經說明為處於鄰近於光學堆疊16b之致動位置中。
如本文中所提及之光學堆疊16a及16b(統稱為光學堆疊16)通常包含若干分層層，該等分層層可包括一諸如氧化銦錫(ITO)之電極層、一諸如鉻之吸收層及一透明介電質。光學堆疊16由此為導電的、部分透明的且部分反射的，且可(例如)藉由將以上層中之一或多者沈積至透明基板20上而製造。吸收層可由諸如各種金屬、半導體及介電質之部分反射的多種材料形成。吸收層可由一或多個材料層形成，且該等層中之每一者可由單一材料或材料之組合形成。
在一些實施例中，光學堆疊16之諸層經圖案化為平行條帶，且可形成如下文進一步描述之顯示裝置中之列電極。可移動反射層14a、14b可作為一(多個)經沈積金屬層之一系列平行條帶(與列電極16a、16b正交)而形成，以形成沈積於柱18之頂部的若干行及沈積於柱18之間的介入犧牲材料。當蝕刻掉犧牲材料時，可移動反射層14a、14b藉由一經界定間隙19而與光學堆疊16a、16b分離。諸如鋁之高導電及反射性材料可用於反射層14，且此等條帶可形成顯示裝置中之行電極。注意，圖1可能未按比例繪製。在一些實施例中，柱18之間的間距可為約10um至100um，而間隙19可在0埃至6000埃之範圍中。
在未施加電壓之情形下，間隙19保持於可移動反射層14a與光學堆疊16a之間，其中可移動反射層14a處於機械鬆弛狀態，如由圖1中之像素12a所說明。然而，當將電位(電壓)差施加至選定之列及行時，在對應像素處之列電極與行電極的相交處所形成之電容器變得帶電，且靜電力將電極拉在一起。若電壓足夠高，則可移動反射層14變形且壓抵光學堆疊16。光學堆疊16內之介電層(此圖中未說明)可防止短路並控制層14與16之間的分離距離，如由圖1中右邊之致動像素12b所說明。不管所施加電位差之極性如何，行為皆為相同的。
圖2至圖5說明一用於在顯示應用中使用一干涉調變器陣列之例示性過程及系統。
圖2為說明可併有干涉調變器的電子裝置之一實施例的系統方塊圖。該電子裝置包括一處理器21，該處理器21可為任何通用單晶片或多晶片微處理器(諸如，ARM®、Pentium®、8051、MIPS®、Power PC®或ALPHA®)，或任何專用微處理器(諸如，數位信號處理器、微控制器或可程式化閘陣列)。如此項技術中所習知，處理器21可經組態以執行一或多個軟體模組。除執行作業系統之外，處理器亦可經組態 以執行一或多個軟體應用程式，包括網頁瀏覽器、電話應用程式、電子郵件程式或任何其他軟體應用程式。
在一實施例中，處理器21亦經組態以與一陣列驅動器22通信。 在一實施例中，陣列驅動器22包括一列驅動器電路24及一行驅動器電路26，該等電路提供信號至顯示陣列或面板30。圖1中所說明之陣列之橫截面由圖2中的線1-1所展示。注意，儘管為簡明起見，圖2說明一3×3干涉調變器陣列，但顯示陣列30可含有非常大數目個干涉調變器，且可具有呈列及呈行之不同數目個干涉調變器(例如，300像素每列乘190像素每行)。
圖3為圖1之干涉調變器之一例示性實施例的可移動鏡位置對所施加電壓的圖式。對於MEMS干涉調變器，列/行致動協定可利用如圖3中所說明之此等裝置的滯後性質。干涉調變器可能需要(例如)10伏特電位差，以使得可移動層自鬆弛狀態變形至致動狀態。然而，當電壓自彼值減小時，隨著電壓下降回至10伏特以下，可移動層維持其狀態。在圖3之例示性實施例中，可移動層直至電壓下降至2伏特以下才完全鬆弛。因此，存在一電壓範圍(在圖3中所說明之實例中為約3V至7V)，在該情況下，存在一所施加電壓窗，在該所施加電壓窗內，裝置穩定於鬆弛或致動狀態。此窗在本文中被稱為「滯後窗」或「穩定窗」。對於具有圖3之滯後特性的顯示陣列而言，列/行致動協定可經設計，以使得在列選通期間，所選通列中之待致動之像素暴露於約10伏特之電壓差，且待鬆弛之像素暴露於接近零伏特之電壓差。 在選通之後，使像素暴露於穩定狀態或約5伏特之偏壓電壓差，使得其保持於列選通將其置於之任何狀態。在此實例中，在被寫入之後，每一像素經歷3伏特至7伏特之「穩定窗」內之電位差。此特徵使圖1中所說明之像素設計在相同所施加電壓條件下穩定於致動的或鬆弛的預先存在狀態。由於干涉調變器之每一像素(無論處於致動狀態或鬆 弛狀態)基本上為由固定及移動反射層所形成之電容器，因此可在滯後窗內之一電壓下保持此穩定狀態，而幾乎無功率耗散。若所施加之電位固定，則基本上無電流流至像素中。
如下文進一步描述，在典型應用中，可藉由根據第一列中的所要致動像素集合而跨越行電極集合發送資料信號(各自具有某一電壓位準)之集合來產生影像之圖框。接著將列脈衝施加至第一列電極，從而致動對應於該資料信號集合之像素。接著改變該資料信號集合以使其對應於第二列中之所要致動像素集合。接著將脈衝施加至第二列電極，從而根據資料信號致動第二列中之適當像素。第一列像素不受第二列脈衝影響，且保持於其在第一列脈衝期間被設定至之狀態。對於整個系列之列，可以順序型式重複此過程以產生圖框。一般而言，藉由以每秒某一所要數目個圖框不斷地重複此過程而以新影像資料來再新及/或更新圖框。可使用用於驅動像素陣列之列及行電極以產生影像圖框之廣泛多種協定。
圖4及圖5說明一用於在圖2之3×3陣列上產生一顯示圖框的可能致動協定。圖4說明可用於展現圖3之滯後曲線之像素的行及列電壓位準之一可能集合。在圖4實施例中，致動一像素涉及將適當行設定為-Vbias且將適當列設定為+△V，-Vbias及+△V分別對應於-5伏特及+5伏特。藉由將適當行設定為+Vbias且將適當列設定為相同之+△V來實現鬆弛該像素，從而跨越該像素產生一零伏特電位差。在將列電壓保持於零伏特之彼等列中，無論行是處於+Vbias抑或-Vbias，像素均穩定於其最初所處之任何狀態。如圖4中亦說明，可使用極性與上述電壓之極性相反的電壓，例如，致動一像素可涉及將適當行設定為+Vbias且將適當列設定為-△V。在此實施例中，藉由將適當行設定為-Vbias且將適當列設定為相同的-△V而實現釋放該像素，從而跨越該像素產生一零伏特電位差。
圖5B為展示施加至圖2之3×3陣列之一系列列及行信號的時序圖，其將產生圖5A中所說明之顯示配置，其中致動像素為非反射性的。在寫入圖5A中所說明之圖框之前，像素可處於任何狀態，且在此實例中，所有列最初處於0伏特且所有行處於+5伏特。藉由此等所施加電壓，所有像素穩定於其現有的致動或鬆弛狀態。
在圖5A圖框中，像素(1,1)、(1,2)、(2,2)、(3,2)及(3,3)被致動。 為實現此情形，在列1之「線時間」期間，將行1及行2設定為-5伏特，且將行3設定為+5伏特。因為所有像素均保持在3伏特至7伏特之穩定窗中，所以此情形並不改變任何像素之狀態。接著，藉由一自0上升至5伏特且返回至零之脈衝對列1進行選通。此情形致動(1,1)及(1,2)像素並使(1,3)像素鬆弛。陣列中之其他像素不受影響。為了按需要設定列2，將行2設定為-5伏特且將行1及行3設定為+5伏特。施加至列2之相同選通將接著致動像素(2,2)且使像素(2,1)及(2,3)鬆弛。又，陣列之其他像素不受影響。藉由將行2及行3設定為-5伏特且將行1設定為+5伏特而類似地設定列3。列3選通設定列3像素，如圖5A中所展示。在寫入圖框之後，列電位為零，且行電位可保持於+5或-5伏特，且顯示器接著穩定於圖5A之配置。同一程序可用於數十或數百個列及行之陣列。在上文概述之一般性原理內，可使用以執行列及行致動之時序、順序及電壓位準廣泛地變化，且以上實例僅為例示性的，且任何致動電壓方法可與本文中所描述之系統及方法一起使用。
圖6A及圖6B為說明一顯示裝置40之一實施例之系統方塊圖。顯示裝置40可為(例如)蜂巢式或行動電話。然而，顯示裝置40之相同組件或其輕微變化亦說明各種類型之顯示裝置，諸如電視及攜帶型媒體播放器。
顯示裝置40包括一外殼41、一顯示器30、一天線43、一揚聲器45、一輸入裝置48及一麥克風46。外殼41一般由多種製造過程(包括 射出成形及真空成形)中之任一者來形成。另外，外殼41可由多種材料中之任一者(包括但不限於塑膠、金屬、玻璃、橡膠及陶瓷，或其組合)製成。在一實施例中，外殼41包括可與具有不同顏色或含有不同標識、圖片或符號之其他可移除部分互換的可移除部分(未圖示)。
例示性顯示裝置40之顯示器30可為包括如本文中所描述之雙穩態顯示器之多種顯示器中的任一者。在其他實施例中，顯示器30包括：平板顯示器，諸如如上文所描述之電漿、EL、OLED、STN LCD或TFT LCD；或非平板顯示器，諸如CRT或其他管裝置。然而，為了描述本實施例之目的，顯示器30包括一如本文中所描述之干涉調變器顯示器。
例示性顯示裝置40之一實施例的組件示意性地說明於圖6B中。 所說明之例示性顯示裝置40包括一外殼41，且可包括至少部分地封閉於該外殼中之額外組件。舉例而言，在一實施例中，例示性顯示裝置40包括一網路介面27，該網路介面27包括一耦接至一收發器47之天線43。收發器47連接至一處理器21，該處理器21連接至調節硬體52。調節硬體52可經組態以調節一信號(例如，對一信號進行濾波)。調節硬體52連接至一揚聲器45及一麥克風46。處理器21亦連接至一輸入裝置48及一驅動器控制器29。驅動器控制器29耦接至一圖框緩衝器28且耦接至一陣列驅動器22，該陣列驅動器22又耦接至一顯示陣列30。一電源供應器50如特定例示性顯示裝置40設計所要求而將電力提供至所有組件。
網路介面27包括天線43及收發器47，使得例示性顯示裝置40可經由一網路與一或多個裝置通信。在一實施例中，網路介面27亦可具有一些處理能力以減輕處理器21之要求。天線43為用於傳輸及接收信號之任何天線。在一實施例中，該天線根據IEEE 802.11標準(包括IEEE 802.11(a)、(b)或(g))來傳輸及接收RF信號。在另一實施例中， 該天線根據藍芽(BLUETOOTH)標準傳輸及接收RF信號。在蜂巢式電話之狀況下，該天線經設計以接收CDMA、GSM、AMPS、W-CDMA，或用以在無線行動電話網路內通信的其他已知信號。收發器47預處理自天線43所接收之信號，以使得其可由處理器21接收且進一步操縱。收發器47亦處理自處理器21所接收之信號，以使得其可自例示性顯示裝置40經由天線43而傳輸。
在一替代實施例中，收發器47可由一接收器替換。在又一替代實施例中，網路介面27可由可儲存或產生待發送至處理器21之影像資料的影像源替換。舉例而言，影像源可為含有影像資料之數位視訊光碟(DVD)或硬碟機，或產生影像資料之軟體模組。
處理器21一般控制例示性顯示裝置40之整個操作。處理器21自網路介面27或影像源接收諸如壓縮影像資料之資料，且將資料處理為原始影像資料或處理為易於處理為原始影像資料之格式。處理器21接著將經處理之資料發送至驅動器控制器29或發送至圖框緩衝器28以供儲存。原始資料通常指代識別一影像內之每一位置處之影像特性的資訊。舉例而言，此等影像特性可包括顏色、飽和度及灰度階。
在一實施例中，處理器21包括微控制器、CPU，或用以控制例示性顯示裝置40之操作的邏輯單元。調節硬體52一般包括用於將信號傳輸至揚聲器45且用於自麥克風46接收信號之放大器及濾波器。調節硬體52可為例示性顯示裝置40內之離散組件，或可併入於處理器21或其他組件內。
驅動器控制器29直接自處理器21或自圖框緩衝器28取得由處理器21產生之原始影像資料，且適當地重新格式化原始影像資料以用於向陣列驅動器22高速傳輸。具體言之，驅動器控制器29將原始影像資料重新格式化為具有光柵狀格式之資料流，以使得其具有適於跨越顯示陣列30而掃描之時間次序。接著，驅動器控制器29將經格式化之資 訊發送至陣列驅動器22。儘管諸如LCD控制器之驅動器控制器29常常作為獨立積體電路(IC)與系統處理器21相關聯，但此等控制器可以許多方式實施。其可作為硬體嵌入於處理器21中、作為軟體嵌入於處理器21中，或以硬體形式與陣列驅動器22完全整合。
通常，陣列驅動器22自驅動器控制器29接收經格式化之資訊，且將視訊資料重新格式化為一組平行波形，該組波形每秒許多次地施加至來自顯示器之x-y像素矩陣之數百且有時數千條引線。
在一實施例中，驅動器控制器29、陣列驅動器22及顯示陣列30適合於本文中所描述之類型之顯示器中的任一者。舉例而言，在一實施例中，驅動器控制器29為習知顯示控制器或雙穩態顯示控制器(例如，干涉調變器控制器)。在另一實施例中，陣列驅動器22為習知驅動器或雙穩態顯示驅動器(例如，干涉調變器顯示器)。在一實施例中，驅動器控制器29與陣列驅動器22整合。此實施例在諸如蜂巢式電話、腕錶及其他小面積顯示器之高整合系統中為常見的。在又一實施例中，顯示陣列30為典型顯示陣列或雙穩態顯示陣列(例如，包括干涉調變器陣列之顯示器)。
輸入裝置48允許使用者控制例示性顯示裝置40之操作。在一實施例中，輸入裝置48包括諸如QWERTY鍵盤或電話小鍵盤之小鍵盤、按鈕、開關、觸敏螢幕、壓敏或熱敏膜。在一實施例中，麥克風46為用於例示性顯示裝置40之輸入裝置。當使用麥克風46以將資料輸入至裝置時，可由使用者提供用於控制例示性顯示裝置40之操作的語音命令。
電源供應器50可包括如此項技術中所熟知之多種能量儲存裝置。舉例而言，在一實施例中，電源供應器50為諸如鎳鎘電池或鋰離子電池之可再充電電池。在另一實施例中，電源供應器50為可再生能源、電容器或太陽能電池(包括塑膠太陽能電池及太陽能電池漆)。在 另一實施例中，電源供應器50經組態以自壁式插座接收電力。
如上文所描述，在一些實施中，控制可程式化性駐留於可位於電子顯示系統中之若干處的驅動器控制器中。在一些狀況下，控制可程式化性駐留於陣列驅動器22中。上述最佳化可在任何數目個硬體及/或軟體組件中且以各種組態來實施。
根據上文所闡述之原理操作之干涉調變器的結構細節可廣泛地變化。舉例而言，圖7A至圖7E說明可移動反射層14及其支撐結構之五個不同實施例。圖7A為圖1之實施例之橫截面，其中金屬材料14之條帶沈積於正交地延伸之支撐件18上。在圖7B中，每一干涉調變器之可移動反射層14之形狀為正方形或矩形的，且僅在繫栓32上之角部處附接至支撐件。在圖7C中，可移動反射層14之形狀為正方形或矩形的，且自可包含可撓金屬之可變形層34懸置。可變形層34在可變形層34之周邊周圍直接或間接地連接至基板20。此等連接在本文中被稱作支撐柱。圖7D中所說明之實施例具有支撐柱插塞42，可變形層34擱置於該等支撐柱插塞42上。可移動反射層14如在圖7A至圖7C中保持懸置於間隙上方，但可變形層34不會藉由填充可變形層34與光學堆疊16之間的孔洞而形成支撐柱。實情為，支撐柱由一平坦化材料形成，該平坦化材料用以形成支撐柱插塞42。圖7E中所說明之實施例係基於圖7D中所展示之實施例，但亦可經調適以與圖7A至圖7C中所說明之實施例中之任一者以及未展示的額外實施例一起工作。在圖7E中所展示之實施例中，金屬或其他導電材料之附加層已用以形成一匯流排結構44。此情形允許沿干涉調變器之背面的信號投送，從而消除原本可能必須形成於基板20上之多個電極。
在諸如圖7中所示之實施例的實施例中，干涉調變器充當直視裝置，其中自透明基板20之前側檢視影像，該側與其上配置有調變器之側相對。在此等實施例中，反射層14以光學方式遮蔽與基板20相對之 反射層之側上的干涉調變器部分(包括可變形層34)。此情形允許所遮蔽區域經組態且在其上進行操作，而不會不利地影響影像品質。舉例而言，此遮蔽允許圖7E中之匯流排結構44，該結構提供將調變器之光學性質與調變器之機電性質(諸如，定址及由彼定址所引起的移動)分開的能力。此可分開之調變器架構允許用於調變器之機電態樣與光學態樣之結構設計及材料彼此獨立地選擇並起作用。此外，圖7C至圖7E中所展示之實施例具有得自將反射層14之光學性質與其機械性質解耦之額外益處，該等益處由可變形層34實現。此情形允許用於反射層14之結構設計及材料關於光學性質而最佳化，且允許用於可變形層34之結構設計及材料關於所要機械性質而最佳化。
上文所描述之干涉調變器為具有鬆弛狀態及致動狀態之雙穩態顯示元件。然而，以下描述係關於類比干涉調變器。此等類比干涉調變器具有一狀態範圍。舉例而言，在類比干涉調變器之一實施例中，單一干涉調變器可具有紅色狀態、綠色狀態、藍色狀態、黑色狀態及白色狀態。因此，單一干涉調變器經組態以具有在廣泛範圍之光譜上具有不同光反射性質之各種狀態。此外，類比干涉調變器之光學堆疊可與上文所描述之雙穩態顯示元件不同。此等差異可產生不同光學結果。舉例而言，在上文所描述之雙穩態元件中，閉合狀態向雙穩態元件提供黑色反射狀態。然而，類比干涉調變器在電極處於與雙穩態元件之閉合狀態類似之位置時具有白色反射狀態。
圖8為具有三層或電極設計之類比干涉調變器800之一例示性實施例。調變器800包括一上部電極802。在一實施例中，電極802為一由金屬製成之板。可使用一加強層803來加強上部電極802。在一實施例中，加強層803為一介電質。加強層803可用以保持上部電極802剛性且實質上平坦。調變器800亦包括一中間電極806及一下部電極810。該三個電極藉由絕緣柱804而電絕緣。絕緣柱804亦用以在不存 在靜電力時將電極802與810之間的中間電極806保持於穩定狀態。中間電極806具有一安置於其上之加強層808。在一實施例中，加強層808由氮氧化矽製成。中間電極806經組態以在上部電極802與下部電極810之間的區域中移動。加強層808在中間電極806移動於電極802與810之間時保持中間電極806之一部分剛性且實質上平坦。在一實施例中，將加強層808安置於中間電極806之中央部分上。在此實施例中，中間電極806之側面部分能夠隨著中間電極806移動而彎曲。在圖8中，在整個電極實質上平坦之平衡位置展示中間電極806。隨著中間電極806移動遠離此平衡位置，中間電極806之側面部分將變形或彎曲。中間電極806之側面部分實施施加一力以使中間電極806移動返回至平衡位置之彈性彈簧力。中間電極806亦用作用以反射通過基板812進入該結構之光的金屬鏡。在一例示性實施例中，基板812由玻璃製成。在一實施例中，下部電極810為吸收鉻層。下部電極810具有一安置於其上之鈍化層814。在一實施例中，鈍化層814為一薄介電層。在一例示性實施例中，上部電極802具有一安置於其上之鈍化層。在一實施例中，該鈍化層為一薄介電層。
圖9為類似於圖8之調變器800的類比干涉調變器900之另一例示性實施例。然而，調變器900具有一安置於中間電極906上之較大加強層908，且進一步包括安置於上部電極902上之電阻元件916。上部電極902具有一安置於其上之加強層903。在一例示性實施例中，上部電極902為金屬且加強層903為介電質。調變器900亦包括一下部電極910，該下部電極910具有一安置於其上之薄介電鈍化層914。下部電極910安置於一基板912上。電阻元件916在上部電極902與中間電極906之間提供一分離器。當中間電極906朝向上部電極902移動時，電阻元件916防止中間電極906與上部電極902接觸。在一實施例中，中間電極906包括一安置於中間電極906之底部部分上之絕緣層。
圖10為具有一控制電路1120之類比干涉調變器1100之一例示性實施例。該類比干涉調變器1100可為調變器800、調變器900、調變器1000或類比干涉調變器之其他類似設計中之任一者。調變器1100包括一上部電極1102、一中間電極1106及一下部電極1110。調變器1100進一步包括使電極1102、1106及1110與其他結構絕緣之絕緣柱1104。
控制電路1120經組態以跨越上部電極1102及下部電極1110施加一電壓。一電荷泵1118經組態以選擇性地施加一電荷至中間電極1106。 使用控制電壓1120及電荷泵1118，達成中間電極1106之靜電致動。電荷泵1118用以為中間電極1106充入一定劑量之電荷。帶電之中間電極1106接著與由控制電路1120在上部電極1102與下部電極1110之間產生之電場相互作用。帶電之中間電極1106與該電場之相互作用使中間電極1106在電極1102與1110之間移動。可藉由使由控制電路1120所施加之電壓變化而使中間電極1106移動至各個位置。舉例而言，由控制電路1120所施加之正電壓Vc使下部電極1110經驅動至相對於上部電極1102之正電位，此排斥帶正電之中間電極1106。因此，一正電壓Vc使中間電極1106朝向上部電極1102移動。由控制電路1120施加一負電壓Vc使下部電極1110經驅動至相對於上部電極1102之負電位，此吸引帶電之中間電極1106。因此，一負電壓Vc使中間電極1106朝向下部電極1110移動。中間電極1106可相應地移動至電極1102與1110之間的廣泛範圍之位置。
一開關1122用以選擇性地將中間電極1106連接至電荷泵1118或自電荷泵1118斷開。應注意，除開關以外之在此項技術中已知的其他方法(諸如，薄膜半導體、熔絲、反熔絲等)可用以選擇性地將中間電極1106連接至電荷泵1118或自電荷泵1118斷開。
開關1122可經組態以斷開及閉合以傳遞一特定電荷至中間電極1106。下文關於圖13及圖14描述選擇電荷位準之方法。此外，開關 1122可經組態以隨著電荷自中間電極1106洩漏或耗散而隨時間重新施加電荷。在一例示性實施例中，根據一指定時間間隔將電荷重新施加至中間電極1106。
圖11為圖8之實施例之一類比干涉調變器1200的一例示性實施例。圖11說明能夠移動至上部電極1202與下部電極1210之間的各個位置1230至1236的中間電極1206。在一實施例中，根據關於圖10所描述之結構及方法來移動中間電極。
調變器1200經組態以視該調變器之組態而選擇性地反射光之某些波長。充當吸收層之下部電極1210與中間電極1206之間的距離改變調變器1200之干涉性質。舉例而言，調變器1200經設計以被檢視於調變器之基板1212側上。光通過基板1212進入調變器1200。視中間電極1206之位置而定，光之不同波長通過基板1212反射回，此提供不同顏色之外觀。舉例而言，在位置1230，光之紅色波長被反射，而光之其他顏色被吸收。因此，干涉調變器處於紅色狀態。當中間電極移動至一位置1232時，調變器1200處於綠色狀態且僅光之綠色波長被反射。 當中間電極移動至一位置1234時，調變器1200處於藍色狀態且僅光之藍色波長被反射。當中間電極移動至一位置1236時，調變器1200處於白色狀態，且可見光譜中的光之所有波長被反射。應注意，一般熟習此項技術者將認識到，調變器1200可呈現不同狀態，且視用於調變器之建構中之材料及中間電極1206之位置而選擇性地反射光之其他波長或光之波長的組合。
圖12為經組態使得中間電極1306以線性比例回應跨越上部電極1302及下部電極1310所驅動之電壓之類比干涉調變器1300的一例示性實施例。因此，在用以控制中間電極1306之移動的電壓與電極1302與1310之間的中間電極1306之位置之間存在一線性關係。在一理想系統中，由所驅動電壓所誘發之電場可定義如下： E=V/(δ1+δ2) (1)
其中：E為歸因於電壓V之電場；V為由控制電路1320所施加之電壓；δ1為下部電極1310與中間電極1306之間的有效距離；且δ2為上部電極1302與中間電極1306之間的有效距離。
有效距離考慮兩個電極之間的實際距離(亦即，d1及d2)與鈍化層1314及1303之效應兩者。鈍化層起到增加有效距離之作用且計算為dε/ε，其中dε為鈍化層之厚度且ε為鈍化層之介電常數。因此，δ1=d1+dε/ε且δ2=d2+dε/ε。應注意，鈍化層1303與1314可具有不同厚度及/或可由不同材料製成。
由中間電極1306上之所儲存並隔離之電荷Q所誘發的電場由下列式給出：E2(x)=Q/(ε0*A)*(δ1+x)/(δ1+δ2) (2)
E1(x)=-Q/(ε0*A)*(δ2-x)/(δ1+δ2) (3)
其中：E2=在上部電極1302與中間電極1306之間所誘發之電場；E1=在下部電極1310與中間電極1306之間所誘發之電場；A=電極之面積；ε0=真空之介質電容率；且x=中間電極1306相對於中間電極1306之平衡位置(在該處控制電路1320不施加電壓)的位置。
歸因於電場的在中間電極上之力接著由下式給出：FE=Q2/(2ε0A)*(δ1-δ2+2x)/(δ1+δ2)+QV/(δ1+δ2) (4)
另外，如關於圖8所述，中間電極806之側面部分可施加一彈性彈簧力FS至中間電極。此機械回復力由下式給出： FS=-Kx (5)
其中： K=彈簧常數。
力平衡(FE平衡FS)由下式給出：
可接著將方程式(6)用作下式來求解中間電極1306之位置x：
根據方程式(7)，一理想系統中之中間電極1306之位置線性地視所施加之電壓V而定。
亦應注意，方程式(7)之分母的正負號指示該結構是否穩定(亦即，中間電極1306是否將朝向最接近之外部電極緊壓)。不穩定性出現於由所儲存電荷自身所誘發的在中間電極1306上之靜電力克服機械回復力時。不穩定點為由以下方程式給出之臨限電荷Qc：
若中間電極1306並非完全電隔離，則中間電極1306上之所儲存電荷Q可隨其在電極1302與1310之間的位置而變化。此Q變化可影響中間電極1306對於電荷之回應。當中間電極1306並非完全電隔離時，存在自中間電極1306附接至上部電極1302與下部電極1310中之每一者的寄生電容1340及1342。調變器1300經組態以藉由包括與中間電極1306串聯連接且與寄生電容1340、1342並聯連接之電容器1344來說明寄生電容1340、1342。下文描述電容器1344在減輕寄生電容1340、1342以允許中間電極1306以與由控制電路1320所施加之電壓成線性關係之方式移動時的效應。電容器1344夾持加載中間電極1306之總電容，且亦阻斷中間電極1306上之電荷的直接洩漏路徑。
C2為上部電極1302與中間電極1306之間的間隙之電容，且C1為中間電極1306與下部電極1310之間的間隙之電容。
來自一電壓V之施加的期望之所儲存電荷值Q 0由以下方程式給出：
其中：C S =電容器1344之值。
在將電荷Q 0置放於中間電極1306上之後，可計算在中間電極1306上跨越電極1302及1310之所施加偏壓電壓V的效應。為中間電極1306之電壓及位置之一函數的中間電極1306上之電壓依賴電荷Q MV 由以下方程式給出：
其中：C P1=寄生電容1342之值；且C P2=寄生電容1340之值。
在CP1=CP2=CP>>CS之狀況下，電壓依賴電荷Q MV 簡化為：
不等式成立於CS之值經選擇以降低加載中間電極1306之整體電容之情形下。然而，若寄生電容1340、1342中存在不平衡(亦即，CP1=CP、CP2=CP+δCP)，則中間電極1306上之所誘發電荷由以下方程式給出：
然而，可應用補償值以使寄生電容1340與1342近似相等。
藉由組合原始儲存電荷Q 0與所誘發電荷Q MV ，中間電極上之實際電荷Q M 可判定為Q M =Q 0+Q MV 。只要電容器1344經選擇以使得方程式(13)成立(亦即，CP1=CP2=CP>>CS)，即可用Q M 替代方程式(7)之Q來給出中間電極1306的位置。因此，一適當電容器1344將促使中間電極1306以對於由控制電路1320所施加之電壓的近似線性回應的方式作出回應。在一例示性實施例中，電容器1344之電容近似為1fF。在另一例示性實施例中，電容器1344之電容近似為10fF。
調變器1300之設計亦在中間電極1306與下部電極1310之間的間隙接近於0時限制相關聯之電場的值。對利用3個電極之干涉調變器之電場Elower的限制表達由以下方程式給出：Elower=V/(δ1+δ2)-Q/(ε0A) (15)
其為歸因於儲存於中間電極1306上之電荷的電場與由控制電路1320所施加之電場的總和。
圖13說明藉以校準圖12之類比干涉調變器1300之過程1400。該校準過程組態調變器1300，使得中間電極1306將在施加一特定電壓時移動至上部電極1302與下部電極1310之間的一已知位置。下文參看圖14描述過程1400，該圖說明在校準過程1400之各個狀態下之干涉調變器1300。
當被製造時，任何兩個給定類比干涉調變器之結構可具有變化。在兩個類似類比干涉調變器之物理性質中的一些中可能存在輕微變化。舉例而言，彈簧常數K、諸層之精確尺寸及諸層之間距均可不同。變化可歸因於過程變化、溫度及老化而發生。在此狀況下，使用方程式(7)來準確計算中間電極1306之位置x將需要所有此等變數之知 識。此外，若任何變數在任何給定類比干涉調變器之間不同，則每一調變器之中間電極1306之位置x可在施加一已知電壓且一已知電荷儲存於中間電極1306上時不同。圖13及圖14說明校準諸如圖12之實施例之類比干涉調變器的類比干涉調變器，使得在無需先前論述之變數之精確知識的情況下知曉在由控制電路1320所施加之任何給定電壓下的中間電極1306之近似位置的過程。
在步驟1404處，閉合開關1522以接地且藉由控制電路1520施加一校準電位Vcal，如圖14a中所示。在下一步驟1408處，在中間電極1506上誘發一淨負電荷。在一例示性實施例中，如關於圖10所示之電荷泵1118在開關1522閉合之同時於中間電極1506上誘發該負電荷。隨著該電荷沈積於中間電極1506上，帶電電極1506與由所施加校準電位所產生之電場相互作用且朝向上部電極1502移動，如圖14b中所示。 由靜電吸引產生之力與所施加電場之平方成比例，該電場隨著上部電極1502與中間電極1506之間的距離減小且隨著中間電極1506上之電荷增加而增加。在某一電荷及距離下，電場之力超過中間電極1506上之彈性彈簧力FS。此時，中間電極1506朝向上部電極1502「緊壓」。中間電極1506接著與電阻元件或柱1516接觸，如圖14c中所示。當進行接觸時，上部電極1502與中間電極1506之間的電位差下降至源電阻1548與柱1516之電阻之間的電阻分壓。電位按指數規律下降。隨著電位下降，機械回復力或彈性彈簧力變得大於中間電極1506上之靜電力。中間電極1506接著移動遠離電阻柱，且上部電極1502與中間電極1506之間的電位差開始上升回至由控制電路1120在上部電極1502與下部電極1510之間所施加之電位。此情形產生振盪行為。在另一步驟1412處，判定中間電極1506是否正展現振盪行為。若判定中間電極1506並非正展現振盪行為，則過程1400返回至步驟1408且電荷繼續誘發於中間電極1506上。在步驟1412處，當判定中間電極1506正展現振 盪行為時，過程1400繼續至步驟1416。可使用此項技術中已知之方法來感測振盪行為。在步驟1416處，斷開開關1522以電隔離中間電極1506並在中間電極1506上維持一平衡電荷Qe。當開關1522斷開時，中間電極1506將保持於距電阻柱1516一小距離dg處。在一例示性實施例中，距離dg遠小於上部電極1502與中間電極1506之間的距離d2。因此，當中間電極1506持有一電荷Qe且Vcal由控制電路1120施加時，xd2且中間電極1506將朝向上部電極1502移動一近似為d2之距離。當控制電路1120未施加電位時，x=0且中間電極將保持於上部電極1502與底部電極1510之間的一非移動位置。如由以上之方程式(7)所指示，中間電極1506之移動與所施加電壓成線性關係，且因此，如合理熟習此項技術者將認識到，可使用與所施加電壓有關之中間電極之位置x的兩組值(例如，(0,0)及(d2,Vcal))來判定中間電極1506之位置x的方程式。
除感測振盪之外，亦存在用於判定何時在步驟1412處斷開開關1522以獲得一平衡電荷Qe的其他變化。在校準過程之一實施例中，當中間電極1506與電阻柱1516進行接觸時，斷開開關1522。隨著電荷排出，中間板將與電阻柱1516分離並持有平衡電荷。在另一實施例中，當中間電極1506獲取充足電荷以緊壓於電阻柱1516時但在中間電極1506與電阻柱1516進行接觸之前，斷開開關1522。可在校準過程之先前執行期間計算或建立獲取充足電荷所需之持續時間。
應注意，中間電極1506上之電荷最終可能排出並需要週期性地再充電。可重複過程1400以便對中間電極1506再充電。在一實施例中，再充電過程亦可經修改，使得開關1522僅閉合足以在中間電極1506上誘發大於Qe之電荷的時間。過量電荷將接著通過電阻柱1516而排至適當Qe。在一實施例中，可針對設定間隔(諸如，在一設定時間間隔之後)排程再充電過程。在另一實施例中，可在中間電極1506上 之電荷達到一臨限值以下時對電荷進行監視並對調變器再充電。
亦應注意，在一實施例中，干涉調變器1500包括在中間電極1506之底部的一額外層，該層可防止中間電極1506在其與下部電極1510接觸時放電。
儘管在如包括某些步驟之實施方式中且以特定次序描述以上過程1400，但應認識到，此等過程可包括額外步驟或可省略所述步驟中之一些步驟。此外，該等過程之步驟中之每一者並非必須以其被描述之次序來執行。
儘管以上實施方式已展示、描述並指出本發明之如應用於各種實施例的新穎特徵，但應理解，熟習此項技術者可在不脫離本發明之精神的情況下對所說明之調變器或過程的形式及細節進行各種省略、替代及改變。如將認識到，本發明可在並未提供本文中所闡述之所有特徵及益處的形式內具體化，因為一些特徵可與其他特徵分離地使用或實踐。
800‧‧‧類比干涉調變器
802‧‧‧上部電極
803‧‧‧加強層
804‧‧‧絕緣柱
806‧‧‧中間電極
808‧‧‧加強層
810‧‧‧下部電極
812‧‧‧基板
814‧‧‧鈍化層

Claims (21)

  1. 一種用於調變光之裝置，其包含：一第一層；一第二層，其中一間隙存在於該第一層與該第二層之間，且該第一層與該第二層相對於彼此為固定的；一第三層，其安置於該第一層與該第二層之間的該間隙中；一開關，其用於電隔離該第三層；及一控制電路，其經組態以藉由跨越該第一層及該第二層施加一偏壓電壓而在該第一層與該第二層之間選擇性地誘發一電場；其中該控制電路經組態以藉由改變該偏壓電壓而致使該第三層在該間隙內移動，其中該第三層之移動係基於該電場及施加至該第三層之一電荷之間的一靜電力以及作用於該第三層上之一機械回復力。
  2. 如請求項1之裝置，其中至少一電阻元件安置於該第一層之底部上。
  3. 如請求項1之裝置，其中該第三層包含一光學鏡。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第二層包含一薄的光學吸收器。
  5. 如請求項1之裝置，其中該控制電路經組態以在該裝置處於一校準模式下時施加一第一電壓作為該偏壓電壓。
  6. 如請求項5之裝置，其中在施加該第一電壓之後，該靜電力近似等於該機械回復力。
  7. 如請求項2之裝置，其中該控制電路經組態以在該裝置處於校準模式下時施加一第一電壓作為該偏壓電壓，其中該第三層在施加該第一電壓之後與該第一層之該電阻元件接觸。
  8. 如請求項1之裝置，其中該第三層經組態以與該偏壓電壓成線性比例之方式移動。
  9. 一種校準一類比干涉調變器之方法，其包含：提供一第一電極及一第二電極，其中一間隙存在於該第一電極與該第二電極之間；藉由跨越該第一電極及該第二電極施加一偏壓電壓而在該第一電極與該第二電極之間誘發一電場；及藉由改變該偏壓電壓而移動在該間隙內之一第三電極，其中該第三電極之移動係基於該電場及施加至該第三電極之一電荷之間的一靜電力以及作用於該第三電極上之一機械回復力，且其中一開關可電隔離該第三電極。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含判定一電荷量，其包含：提供安置於該第一電極上之至少一電阻元件；施加一校準電壓至該第一電極及該第二電極作為該偏壓電壓；及調整該第三電極上之該電荷，使得由該校準電壓所誘發之電場使該第三電極與該第一電極之該至少一電阻元件接觸。
  11. 如請求項9之方法，其進一步包含調整該第三電極上之該電荷，使得該靜電力約等於該機械回復力。
  12. 如請求項9之方法，其中該誘發包含誘發該第三電極上之該電荷，使得該第三電極之該位移以與該偏壓電壓成線性比例之方式作出回應。
  13. 一種用於調變光之裝置，其包含：第一傳導構件，其用於傳導電流；第二傳導構件，其用於傳導電流，其中一間隙存在於該第一傳導構件與該第二傳導構件之間；及 施加構件，其用於跨越該第一傳導構件及該第二傳導構件施加一偏壓電壓以在該第一傳導構件及該第二傳導構件之間誘發一電場；第三傳導構件，其用於傳導電流；用於電隔離該第三傳導構件之構件，且其中該用於施加一偏壓電壓之構件經組態以藉由改變該偏壓電壓而致使該第三傳導構件在該間隙內移動，其中該第三傳導構件之移動係基於該電場及施加至該第三傳導構件之一電荷之間的一靜電力以及作用於該第三傳導構件上之一機械回復力。
  14. 如請求項13之裝置，其中該施加構件包含一控制電路。
  15. 如請求項13之裝置，其中該用於電隔離之構件包含一開關。
  16. 如請求項13之裝置，其中該用於電隔離之構件包含一薄膜半導體。
  17. 如請求項13之裝置，其中一絕緣層安置於該第二傳導構件之頂部上。
  18. 如請求項13之裝置，其中一加強層安置於該第三傳導構件上。
  19. 如請求項13之裝置，其中一電容器與該第三傳導構件通信。
  20. 如請求項13之裝置，其中該第一傳導構件包含一電極，該第二傳導構件包含一電極，且該第三傳導構件包含一電極。
  21. 如請求項13之裝置，其進一步包含用於誘發之構件，其經組態以誘發該第三傳導構件上之該電荷，使得該第三傳導構件之移動係與該偏壓電壓成線性比例。
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