并入有双级快门的显示设备的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本专利申请案主张2013年3月13日申请且转让给本案受让人并借此以引用方式 明确并入本文的标题为"并入有双级快门的显示设备（DISPLAY APPARATUS INCORPORATING DUAL-LEVEL SHUTTERS) "的第13/800, 418号美国实用新型申请案的优先权。
技术领域
[0003] 本发明涉及机电系统（EMS)。具体来说，本发明涉及EMS快门设计。
【背景技术】
[0004] 对显示器的提高的对比度的需求持续增长。某些基于快门的EMS显示装置经历由 其所包含的光调制快门周围的光泄漏引起的对比度降低。例如，某些基于快门的EMS显示 器包含在两个相对的光阻挡层之间横向移动的快门。光阻挡层包含光圈，快门选择性地阻 挡光圈以调制光。然而，典型的快门设计阻挡光行进穿过光阻挡层中的一者比阻挡光行进 穿过另一者更有效。另一光阻挡层中的光圈的低效阻挡可导致降低的对比度。
[0005] 此外，存在数个（如果有）可在全暗状态与全亮状态之间可靠地实现离散部分透 射状态的基于EMS的光调制器。因此，并入有基于EMS的光调制器的显示器倾向于使用时 分原理通过将光调制器驱动到亮状态或暗状态中而在一连串子帧中产生不同灰阶值。即使 此些子帧经加权，此类显示器仍可能需要产生每图像帧大量子帧以获得所要的灰阶粒度水 平。
【发明内容】
[0006] 本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中所述若干创新方面中的 单一者不单独决定本文揭示的所要属性。
[0007] 本发明中描述的目标物的一个创新方面可实施于包含第一光阻挡层和快门的设 备中。所述第一光阻挡层包含穿过其而形成的光圈。所述快门经配置以通过至少一个致 动器沿第一轴相对于所述光阻挡层横向移动。所述快门可包含具有沿第一运动轴的尺寸 的第一光阻挡部分，所述尺寸小于所述光圈沿所述第一轴的尺寸。所述快门还包含具有沿 所述第一轴的尺寸的第二光阻挡部分，所述尺寸大于或等于所述光圈沿所述第一轴的所述 尺寸。在一些实施方案中，所述至少一个致动器经配置以将所述快门移动到第一状态（其 中所述第一光阻挡部分和所述第二光阻挡部分均未实质上阻挡光穿过光圈）中、第二状态 (其中所述第一光阻挡部分阻挡小部分光穿过所述光圈）中和第三状态（其中所述第二部 分阻挡实质上所有光穿过所述光圈）中。
[0008] 在一些实施方案中，所述快门的所述第一光阻挡部分和所述第二光阻挡部分中的 每一者包含通过侧壁连接的近端光阻挡级和远端光阻挡级。在一些此类实施方案中，所述 至少一个致动器包含定位成邻近于所述快门的电极，且所述近端光阻挡级定位于衬底上方 约与所述电极的近端边缘相同的高度处。在一些实施方案中，所述远端光阻挡级定位于衬 底上方约与所述电极的远端边缘相同的高度处。
[0009] 在一些实施方案中，所述近端光阻挡级与所述第一光阻挡层隔开达约与所述远端 光阻挡级与定位成使所述快门与所述第一光阻挡层相对的第二光阻挡层隔开相同的距离。 在一些其它实施方案中，所述近端光阻挡级与所述第一光阻挡层隔开达比所述远端光阻挡 级与定位成使所述快门与所述第一光阻挡层相对的第二光阻挡层隔开的距离小约3微米 的距离。
[0010] 在一些实施方案中，所述至少一个致动器包含第一致动器和第二致动器。在一些 此类实施方案中，所述第一致动器经配置以在致动时将所述快门拉到所述第一状态中。在 一些实施方案中，所述第二致动器经配置以在致动时将所述快门拉到所述第三状态中。在 一些其它实施方案中，所述第一致动器和所述第二致动器经配置以使得当所述第一致动器 和所述第二致动器均未致动时，所述快门处于所述第二状态中。
[0011] 在一些实施方案中，所述设备包含显示器、处理器和存储器装置。所述显示器可包 含所述快门。所述处理器可经配置以与所述显示器通信并处理图像数据。所述存储器装置 经配置以与所述处理器通信。在一些实施方案中，所述设备还包含经配置以将至少一个信 号发送到所述显示器的驱动器电路，且所述处理器进一步经配置经配置以将所述图像数据 的至少一部分发送到所述驱动器电路。在一些实施方案中，所述设备包含经配置以将所述 图像数据发送到所述处理器的图像源模块。所述图像源模块可包含接收器、收发器和发射 器中的至少一者。在一些实施方案中，所述设备还可包含经配置以接收输入数据并将所述 输入数据传送到所述处理器的输入装置。
[0012] 可在制造显示元件的方法中实施本发明中描述的目标物的另一创新方面。所述 方法包含：在第一光阻挡层中界定第一光圈；在所述第一光阻挡层上方沉积第一牺牲材料 层；及在所述第一牺牲材料层上方沉积至少第一结构材料层。所述方法还包含图案化至少 所述第一结构材料层以界定快门的周边、穿过所述快门的快门光圈和至少一个致动器。所 述快门周边和所述快门光圈经配置以使得所述快门包含沿所述快门的运动轴定位于所述 快门光圈的相对侧上的不对称第一光阻挡部分和第二光阻挡部分。所述致动器经配置以使 所述快门沿所述运动轴移动到松弛状态（其中所述第一光阻挡部分和所述第二光阻挡部 分均未实质上阻挡光穿过所述第一光圈）中、第一致动状态（其中所述第一光阻挡部分阻 挡一小部分光穿过所述第一光圈）中和第二致动状态（其中所述第二光阻挡部分阻挡实质 上所有光穿过所述第一光圈）中。
[0013] 在一些实施方案中，所述方法进一步包含在所述第一结构材料层上方沉积第二牺 牲材料层。在所述第一牺牲材料层上方沉积至少第一结构材料层可包含在所述第二牺牲材 料层上方沉积第二结构材料层。在一些此类实施方案中，图案化至少所述第一结构材料层 包含在沉积所述第二牺牲材料层之前图案化所述第一结构材料层且接着在沉积所述第二 结构材料层之后图案化所述第二结构材料层。
[0014] 在一些实施方案中，所述方法还包含图案化所述第二牺牲材料层以在所述第二牺 牲材料层中形成包围界定于所述第一结构材料层中的所述快门光圈的凹口。在一些此类实 施方案中，沉积所述第二结构材料层包含使用所述第二结构材料层涂覆所述第二牺牲层中 的所述凹口的侧壁。
[0015] 在下文的附图和描述中阐明本说明书中所描述的目标物的一或多个实施方案的 细节。尽管主要就基于MEMS的显示器描述本
【发明内容】
中所提供的实例，但本文中所提供的 概念可适用于其它类型的显示器（例如液晶显示器（IXD)、有机发光二极管（OLED)、电泳显 示器和场发射显示器）以及其它非显示MEMS装置（例如MEMS麦克风、传感器和光开关）。 将从描述、图式和权利要求书明白其它特征、方面和优点。注意，下图的相对尺寸可不按比 例绘制。
【附图说明】
[0016] 图1A展示实例性直观式基于MEMS显示设备的示意图。
[0017] 图1B展示实例性主机装置的框图。
[0018] 图2展示实例性基于快门的光调制器的透视图。
[0019] 图3A展示实例性控制矩阵的示意图。
[0020] 图3B展示连接到图3A的控制矩阵的基于快门的光调制器的实例性阵列的透视 图。
[0021] 图4A和4B展示实例性双致动器快门组合件的视图。
[0022] 图5展示并入有基于快门的光调制器的实例性显示设备的横截面图。
[0023] 图6A到6E展示实例性复合快门组合件的建构阶段的横截面图。
[0024] 图7A到7D展示具有狭窄侧壁梁的实例性快门组合件的建构阶段的等角视图。
[0025] 图8A展示实例性显示设备的横截面图。
[0026] 图8B展示并入到8A中所示的实例性显示设备中的快门组合件的透视图。
[0027] 图9展示用于制造图8A和8B中所示的快门组合件的实例性方法的流程图。
[0028] 图10A到10H展示包含于图9中所示的方法中的处理阶段中的每一者的结果的横 截面图。
[0029] 图11A到11C展示另一实例性显示设备的横截面图。
[0030] 图11D展示并入到11A到11C中所示的显示设备中的快门组合件的实例性透视 图。
[0031] 图11E展示类似于图11A到11D中所示的快门组合件的另一实例性快门组合件的 透视图。
[0032] 图12A到12H展示图11A到11D中所示的快门组合件的实例性制造阶段的横截面 图。
[0033] 图13展示制造图11A到11D中所示的快门组合件的方法的另一表示的流程图。
[0034] 图14和15展示包含一组显示元件的实例性显示装置的系统框图。
[0035] 在各个图式中，相似参考数字和标号指示相似元件。
【具体实施方式】
[0036] 以下描述是针对出于描述本发明的创新方面的目的的一些实施方案。然而，所属 领域的技术人员将容易认识到，可以许多不同方式应用本文中的教示。所描述的实施方案 可在可经配置以显示图像的任何装置、设备或系统中实施，而不论图像是在运动中（例如， 视频）还是静止的（例如，静态图像），且不论图像为文字的、图形的还是图片的。更确切地 说，预期所描述的实施方案可包含在例如（但不限于）以下各者等多种电子装置中或与例 如（但不限于）以下各者等多种电子装置相关联：移动电话、具多媒体因特网功能的蜂窝式 电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、Blueteotti?装置、个人数据助理（PDA)、无线电 子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本计算机、智能本、平板计算机、打印 机、复印机、扫描器、传真装置、全球定位系统（GPS)接收器/导航仪、相机、数字媒体播放器 (例如，MP3播放器）、便携式摄像机、游戏控制台、腕表、时钟、计算器、电视监视器、平板显 示器、电子阅读装置（例如，电子阅读器）、计算机监视器、汽车显示器（包含里程表及速度 计显示器等）、驾驶舱控制及/或显示器、摄像机景观显示器（例如，车辆中的后视摄像机的 显示器）、电子照片、电子布告板或标牌、投影仪、建筑结构、微波、冰箱、立体声系统、盒式记 录器或播放器、DVD播放器、⑶播放器、VCR、收音机、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗 衣机/烘干机、停车计时器、包装（例如，机电系统（EMS)应用中，包含微机电系统（MEMS)应 用以及非EMS应用）、美观性结构（例如，关于一件珠宝或服装的图像的显示）及多种EMS 装置。本文中的教示还可用于非显示器应用中，例如（但不限于）电子切换装置、射频滤波 器、传感器、加速度计、陀螺仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子装置的惯性组件、消 费型电子产品的零件、变容器、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造工艺及电子测试装备。 因而，所述教示并不希望仅限于图中所描绘的实施方案，而实际上具有广阔的可应用性，如 所属领域的技术人员将容易明白的。
[0037] 可制造具有定位于快门光圈的相对侧上的两个光阻挡部分的多状态快门。快门通 过耦合到所述快门的相对的致动器相对于形成于定位成邻近于所述快门的前光阻挡层和 后光阻挡层中的光圈横向移动。一个光阻挡部分实质上比另一光阻挡部分长。因此，当较 长光阻挡部分被放置于光圈前方时（当致动一个致动器时），其阻挡实质上所有光传播通 过所述光圈。当较短光阻挡部分定位于光圈前方时（当致动相对的致动器时），其仅阻挡小 部分光穿过。在第三状态中（当致动两个致动器时），快门光圈与光阻挡层中的光圈对准， 且快门阻挡较少光或不阻挡光。此快门还可有利地并入上光阻挡级和下光阻挡级以提高其 对比度。
[0038] 可实施本发明中描述的目标物的特定实施方案以实现以下潜在优点中的一或多 者。具有从快门光圈向外延伸的不对称光阻挡部分的快门可在三种状态之间移动：关闭状 态、部分打开状态和完全打开状态。通过包含可实现额外部分打开状态的快门组合件，显示 设备可使用较少子帧形成图像。
[0039] 在一些实施方案中，具有不对称光阻挡部分的快门可经制造以具有前光阻挡级和 后光阻挡级二者。并入有具有前光阻挡级和后光阻挡级二者的快门组合件提供改进的光管 理能力。通过将光阻挡级定位成紧密接近形成于定位于快门的任一侧上的光阻挡层中的光 圈，快门可有效地防止以相对于衬底的低角度离开背光的光的不合意泄漏。快门还可有效 地减少环境光反射。此改进的光管理的结果是增强的显示器对比度。
[0040] 图1A展示实例性直观式基于MEMS的显示设备100的示意图。显示设备100包含 布置成行和列的多个光调制器l〇2a到102d(统称"光调制器102"）。在显示设备100中， 光调制器102a和102d处于打开状态，从而允许光通过。光调制器102b和102c处于关闭 状态，从而阻碍光通过。通过选择性地设定光调制器102a到102d的状态，显示设备100可 用于形成背光照明显示器（如果由一或多个灯105照明）的图像104。在另一实施方案中， 设备100可通过反射源自所述设备前部的周围光而形成图像。在另一实施方案中，设备100 可通过反射来自定位于所述显示器前部的一或多个灯的光（即，通过使用前光）而形成图 像。
[0041] 在一些实施方案中，每一光调制器102对应于图像104中的一像素106。在一些其 它实施方案中，显示设备100可利用多个光调制器来形成图像104中的像素106。举例来说， 显示设备100可包含三个色彩特定光调制器102。通过选择性地打开对应于特定像素106 的色彩特定光调制器102中的一或多者，显示设备100可在图像104中生成色彩像素106。 在另一实例中，显示设备100包含每像素106两个或更多个光调制器102以在图像104中 提供照度水平。关于图像，"像素"对应于由图像的分辨率定义的最小图元。关于显示设备 100的结构组件，术语"像素"是指用于调制形成所述图像的单个像素的光的组合式机械与 电组件。
[0042] 显示设备100是直观式显示器，原因在于其可不包含通常在投影应用中发现的成 像光学件。在投影显示器中，将形成于所述显示设备的表面上的图像投影到屏幕上或墙壁 上。所述显示设备实质上小于所投影图像。在直观式显示器中，用户通过直接注视所述显 示设备来察看所述图像，所述显示设备含有所述光调制器且任选地含有用于增强在所述显 示器上所看到的亮度和/或对比度的背光或前光。
[0043] 直观式显示器可在透射模式或反射模式中操作。在透射显示器中，光调制器过滤 或选择性地阻挡源自定位于所述显示器后面的一或多个灯的光。来自所述灯的光任选地注 入到光导或"背光"中以使得可均匀地照明每一像素。透射直观式显示器通常构建到透明 或玻璃衬底上以促进其中含有光调制器的一个衬底直接定位于背光顶部上的夹层组合件 布置。
[0044] 每一光调制器102可包含快门108和光圈109。为照明图像104中的像素106,快 门108经定位以使得其允许光通过光圈109朝向观看者。为保持像素106未被点亮，快门 108经定位以使得其阻碍光通过光圈109。光圈109是由穿过每一光调制器102中的反射 或吸光材料图案化的开口界定。
[0045] 所述显示设备还包含连接到所述衬底且连接到所述光调制器以用于控制快门的 移动的控制矩阵。所述控制矩阵包含一系列电互连件（例如，互连件110、112和114)，所 述一系列电互连件包含每行像素至少一个写入启用互连件110 (还称作"扫描线互连件"）、 每一列像素的一个数据互连件112,以及将共同电压提供到所有像素或至少来自显示设备 100中的多个列和多个行两者的像素的一个共同互连件114。响应于施加适当电压（"写入 启用电压，VWE"），给定行像素的写入启用互连件110使所述行中的像素准备好接受新快门 移动指令。数据互连件112以数据电压脉冲的形式传送新移动指令。在一些实施方案中，施 加到数据互连件112的数据电压脉冲直接促成快门的静电移动。在一些其它实施方案中， 数据电压脉冲控制开关，例如，晶体管或其它非线性电路元件，所述开关控制单独致动电压 (其量值通常高于数据电压）到光调制器102的施加。这些致动电压的施加随后导致快门 108的静电驱动移动。
[0046] 图1B展示实例性主机装置120 (即，手机、智能电话、PDA、MP3播放器、平板计算机、 电子阅读器、上网本、笔记本计算机等）的框图的实例。主机装置120包含显示设备128、主 机处理器122、环境传感器124、用户输入模块126和电源。
[0047] 显示设备128包含多个扫描驱动器130 (还称作"写入启用电压源"）、多个数据驱 动器132 (还称作"数据电压源")、控制器134、共同驱动器138、灯140到146、灯驱动器148 和显示元件阵列150 (例如图1A中所示的光调制器102)。扫描驱动器130将写入启用电压 施加到扫描线互连件110。数据驱动器132将数据电压施加到数据互连件112。
[0048] 在所述显示设备的一些实施方案中，数据驱动器132经配置以将模拟数据电压提 供到显示元件阵列150,尤其在图像104的照度水平将以模拟方式导出的情形中。在模拟操 作中，光调制器102经设计以使得当通过数据互连件112施加一范围的中间电压时，在快门 108中产生一范围的中间打开状态且因此在图像104中产生一范围的中间照明状态或照度 水平。在其它情形中，数