CN102162912A

CN102162912A - 高反射的微机电系统(mems)装置、便携式装置以及方法

Info

Publication number: CN102162912A
Application number: CN2011100361612A
Authority: CN
Inventors: 莱斯利·安妮·帕里-琼斯
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: CN102162912B; US7957049B1

Abstract

一种基于干涉的微机电系统(MEMS)装置，具有：下基板，包括基板电极；下隔膜，其与所述下基板隔开下间隙，所述下隔膜包括下隔膜电极；上隔膜，位于所述下隔膜的与所述下基板相对的一侧上且与所述下隔膜隔开上间隙，所述上隔膜包括上隔膜电极；和控制电路，被配置成提供控制电压至所述下基板、下隔膜和上隔膜的电极，以改变所述下间隙和上间隙的尺寸，从而控制所述装置对入射到所述下基板上的光线的反射特性。

Description

高反射的微机电系统(MEMS)装置、便携式装置以及方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)反射显示器和方法，其中通过可见光的光干涉原理来管理反射光的强度和颜色。显示器的像素的光学对比度和彩色的变化通过薄隔膜的移动来获得，所述隔膜彼此分隔开且与显示器的一基板分隔开的空气间隙的量级等于或小于可见光的波长。本发明还涉及包含这样的显示器的便携式装置。

背景技术

我们熟悉的许多电子显示装置是发射性的，例如膝上型显示屏、桌上型监视器和电视机。这样的装置虽然在户内是高度可见的，但是在亮环境(尤其是户外)下难以看见。另外，这样的装置由于需要(在液晶显示器(LCD)的情形中)经过背光或者(在CRT或OLED的情形中)在显示器自身中产生光，通常是耗电的。

对这样的发射式显示器的一个替代是使用反射式显示器，其中通过调制反射的环境光的强度来产生图像。这样的显示器具有与环境光的强度一起工作(而不是相互竞争)的优点，因此对于主要用在亮环境下的显示来说是好的方案。它们也易于具有非常低的功耗，因为不涉及光的产生。如果需要的话，显示器可以装配有前光(其提供来自显示器的正面表面的照射)，使得它在较暗的环境下也能看。

众所周知，在被用在透射式或反射式模式中时，由于显示器结构中的偏振片、滤光片和黑色罩板所涉及的损耗，LCD是效率低的。在被用在透射中时，虽然可以通过使用亮的背光装置来实现高亮度的显示，但这是这以高功耗的代价实现的。然而，在被用在反射式模式中时，这些低效率导致了低的反射性，因此导致了差的图像亮度，此时的亮度远小于将从最终的反射式显示器(纸)所获得的亮度。

近年来，市场上已经出现对反射式LCD的替代方案，最常见的是E-Ink技术。这主要被用于制造单色的e-book阅读器(诸如Amazon

)。这样的e-book的白光状态反射率是约35-40％，虽然与新闻报纸相比，其仍然达不到优质的白色纸件的反射率。最近出现的技术是由Qualcomm MEMS技术制造的

显示器，其使用基于干涉的MEMS方法来产生看上去是黑色或绿色的像素之间的开关。Qualcomm声称在这些显示器中有45％的反射率，它们将这称作术语“双色”，这是因为亮状态是绿色而不是白色。

虽然这些出现的技术可能开始在单色有源矩阵LCD上表现突出，但是反射性仍然不足以能产生高反射率颜色图像。为了产生颜色图像，E-Ink将简单地需要将滤光片添加到它们的显示器上，其将白光状态反射率消减约1/3至约11-13％。Qualcomm声称有彩色版的

显示器，其不是通过如上的这样的滤光片工作，而是通过具有彩色子像素工作，该彩色子像素(在它们的亮状态中)反射红、绿或蓝光，但不是可调的颜色。对于这样的显示器的它们计划的白色状态反射率是25％，其将是当今市场上的反射率最高的彩色显示器。

然而，虽然这一性能是令人印象深刻的，但是它仍远达不到我们在纸上的打印颜色图像中所习惯的白色状态反射率(～60-70％)，并且是产生颜色所使用的空间子像素方法的直接结果。替代的方案是使用基于干涉的MEMS像素，来产生可调的颜色像素，其仅由于反射正确的彩色的面积的量，将立即使得彩色反射率增大到三倍。问题在于颜色可调像素虽然在原理上是可行的，但是通常缺少好的宽带的白色状态，因此不能产生其的反射率与彩色状态的反射率成比例的白色状态。

US5835255(Miles；1998年11月)描述了基于干涉的MEMS(IMod)显示器，其中一种类型的像素可以在不反射可见光谱或反射一部分可见光谱之间切换(因此在反射中看上去是黑色或彩色的)。还描述了另一类型的像素，其可以反射可见光谱的全部或一部分(看上去是白色或彩色的)。但没有描述了一种可以反射可见光谱中的零、一些或全部(看上去是黑色、颜色或白色)的像素。描述了一些其它类型的像素，其可以通过在模拟(不是双稳态的)控制下连续地调节它们的颜色。

US5986796(Miles；1999年11月)，除了之前的专利中的材料，描述了另一类型的像素，其可以在反射可见光谱中的零或全部之间切换(看上去是黑色或白色)。然而，没有教导如何制造这一类型的像素。所述类型的像素也都不能仅反射可见光谱中的一些(看上去是彩色的)。

US6055090(Miles；2000年4月)描述了使用在之前描述的US5835255中所述类型像素的反射式IMod显示器，其可以在反射可见光谱中的零或一些之间切换(看上去是黑色的或彩色的)。一种制造彩色反射式显示器的方法被描述，其中通过混合由红色、绿色和蓝色子像素反射的光来产生颜色，而不是调节由单个像素反射的颜色。红色的子像素可以不反射光或反射红光(看上去是黑色或红色)。绿色子像素可以不反射光或反射绿光(看上去是黑色或绿色)。同理，蓝色子像素可以不反射光或反射蓝光(看上去是黑色或蓝色)。通过将彩色子像素中的每一个切换至它们的彩色反射状态，来产生白色反射，由红、绿和蓝光的混合看到白色。由于显示器的区域被分成彩色子像素的事实，白色状态的亮度是有限的，这是因为显示器的区域的每一部分将总是吸收光谱的可见段的至少一部分。

US7372613B2(Chui，2008年5月)描述了反射式IMod显示器，其仍是通过使用红、绿和蓝子像素来产生颜色，如上所述。在该文献中说明了如何在彩色饱和和白色状态亮度之间折衷。描述了切换每一彩色子像素在看上去是黑色的、彩色的和白色的状态之间的方法。额外的白色状态的目的是增加在白色状态中的显示器的亮度。未公开在彩色状态中调节反射光的峰波长的可能性：仍然通过使用红、绿和蓝子像素来空间上产生颜色。

专利申请US申请No.12/568,622(Sharp Laboratories of America，于2009年9月28日申请的)描述了反射式IMod显示器，其经由埋入的ITO电极通过模拟电压控制来产生可调的颜色，但是没有描述一种方法将产生一种反射率与产生的彩色状态的反射率成比例的白色状态。

发明内容

本发明涉及反射式IMod显示器，其具有一种类型的像素，该像素可以在反射零、一些或全部可见光谱(看上去是黑色、彩色的或白色)之间切换。在本发明和在US7372613B2中描述的之间有至少两个重要的区别。第一区别是在彩色状态中的反射光的峰波长是可调的。因此可以制成彩色的显示器，且没有使用彩色的子像素，从而得到高反射的彩色状态。第二区别是以完全不同于在US7372613B2中描述的方法的方式产生了白色状态。在US7372613B2中描述的方法涉及对应于三种不同的反射率而在两个基板之间的三个可能的位置之间移动隔膜。然而，在本发明中，包含了两个隔膜，该两个隔膜可以独立地移动且仅与一个基板接触。或者是两个隔膜一起在基板的顶部上移动，或者是一个隔膜保持在基板上同时另一个隔膜移动，以决定是获得宽带还是窄带的反射。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于干涉的微机电系统(MEMS)装置，具有下基板，包括基板电极；下隔膜与所述下基板隔开下间隙，所述下隔膜包括下隔膜电极；上隔膜，位于所述下隔膜与所述下基板相对的一侧上且与所述下隔膜隔开上间隙，所述上隔膜包括上隔膜电极；和控制电路，被配置成提供控制电压至所述下基板、下隔膜和上隔膜的电极以改变所述下间隙和上间隙的尺寸，用于控制所述装置关于入射到所述下基板上的光线的反射特性。

根据另一方面，所述控制电路被配置成独立地控制所述下间隙和上间隙的尺寸。

根据另一方面，所述下基板和下隔膜至少是部分透射性的，但是由于在任何两种介质之间的边界处的折射率的变化，也至少是部分反射性的。下隔膜也可以包括显著地吸收性的金属(诸如某些类型的金属)的薄层。上隔膜将通常是基本上不透射的、或不透明的反射层。

根据另一方面，所述控制电路被配置成提供第一操作模式，在所述第一操作模式中所述下间隙的尺寸被减小至零使得所述下隔膜保持与所述下基板接触，通过控制所述上间隙的尺寸来决定由所述装置反射的光线的颜色。

根据又一方面，在所述第一操作模式期间，当所述上间隙的尺寸处于平衡状态时，所述反射光线的颜色是红色，当所述上间隙的尺寸被减小至零时，所述反射光线的颜色看上去基本上是黑色。

根据另一方面，在所述上间隙的对应的中间尺寸，所述反射光线的颜色包括蓝色和绿色。

根据另一方面，所述控制电路被配置成提供第二操作模式，在所述第二操作模式中所述上间隙的尺寸被减小至零使得所述上隔膜保持与所述下隔膜接触，通过控制所述下间隙的尺寸来决定由所述装置反射的光线的强度。

根据另一方面，在所述第二操作模式期间，当所述下间隙的尺寸处于平衡状态时，所述反射光是白色，当所述下间隙的尺寸被减小至零时，所述反射光看上去基本上是黑色。

根据另一方面，在所述下间隙的对应的中间尺寸，所述反射光包括各个灰度级。

根据另一方面，所述下隔膜电极和上隔膜电极被构图以限定由所述控制电路独立控制的像素阵列。

根据另一方面，所述下隔膜和上隔膜间隔地连接至所述下基板。

根据另一方面，所述下间隙和上间隙被填充空气。

根据另一方面，所述下隔膜和上隔膜包括通路孔，以便于空气进入和退出所述下间隙和上间隙。

根据另一方面，提供了一种便携式装置，所述便携式装置包括具有基于干涉的MEMS装置的显示器。

根据另一方面，提供了一种控制基于干涉的MEMS装置的方法，其中所述控制电路被配置成提供第二操作模式，在所述第二操作模式中所述上间隙的尺寸被减小至零使得所述上隔膜保持接触所述下隔膜，通过控制所述下间隙的尺寸来决定由所述装置反射的光线的强度，其中在所述第一操作模式中通过快速地改变所述上间隙的尺寸来提供那些需要所述可见光光谱的几个峰的反射光线的颜色，以便观察者看到的是单个颜色。

根据又一方面，提供了一种控制基于干涉的MEMS装置的方法，其中通过快速地改变所述下间隙的尺寸来提供灰度级，以便观察者看到的是单个灰度级。

根据另一方面，提供了一种控制基于干涉的微机电系统(MEMS)装置的方法。所述装置包括下基板，包括基板电极；下隔膜与所述下基板隔开下间隙，所述下隔膜包括下隔膜电极；上隔膜，位于所述下隔膜与所述下基板相对的一侧上且与所述下隔膜隔开上间隙，所述上隔膜包括上隔膜电极；和控制电路，被配置成提供控制电压至所述下基板、下隔膜和上隔膜的电极以改变所述下间隙和上间隙的尺寸，从而控制所述装置关于入射到所述下基板上的光线的反射特性。所述方法包括以下步骤：在所述第一操作模式期间将所述下间隙的尺寸减小至零使得所述下隔膜保持接触所述下基板，控制所述上间隙的尺寸以控制由所述装置反射的光线的颜色，其中通过快速地改变所述上间隙的尺寸来提供那些需要在所述可见光光谱中几个峰的反射光线的颜色，以便观察者看到的是单个颜色；在所述第二操作模式期间将所述上间隙的尺寸减小至零使得所述上隔膜保持与所述下隔膜接触，通过控制所述下间隙的尺寸来控制由所述装置反射的光线的强度，其中通过快速地改变所述下间隙的尺寸来提供灰度级，以便观察者看到的是单个灰度级；以及时间上顺序地结合所述第一和第二操作模式，以便观察者看到以产生由所述装置反射的光线的未饱和的颜色。

为了实现上述的和相关的目的，本发明之后包括在权利要求中充分地描述的和具体地指出的下文中的特征。下述的描述和附图在本发明的特定的说明性的实施例中进行详细阐述。然而，这些实施例仅表示可以采用本发明的原理的各种方式中的一些。在结合附图考虑时，将从本发明的下述的详细描述明白本发明的其它目的、优点和新的特征。

附图说明

在附图中，类似的标记表示类似的部件或特征：

图1示出了根据本发明的示例性的实施例的在显示器的像素的有源区域内的层结构。

图2示出了两个隔膜是如何以规则的间隔连接至基板的。

图3示出两个隔膜在每一像素中是如何电连接至位于观察者不能看见的上基板上的控制电路的。

图4更详细地示出如何构图隔膜的子层来制造隔膜至控制电路的电连接。

图5示出了给出好的光学特性的适合的层结构的例子。

图6示出了第一操作模式，其中下隔膜保持与下基板上的薄膜叠层接触。

图7显示在被驱动以反射黑色、蓝色、绿色、红色和白色光时，图5中显示的结构的模拟结果的图表。

图8显示操作的第二模式，其中上和下隔膜保持彼此接触。

图9显示能用于产生灰色反射的下空气间隙的随时间变化的值的例子。

图10显示能用于产生紫红色反射的上空气间隙的随时间变化的值的例子。

图11显示能用于产生淡蓝色反射的上和下空气间隙的随时间变化的值的例子。

图中的关键部件

1 下基板

2 薄膜叠层

2a 薄膜叠层中的导电层

2b-2e 介电层

3a 下隔膜

3b 上隔膜

3a1 下隔膜中的导电层

3a2 下隔膜中的介电层

3b1 上隔膜中的导电层

4a 下空气间隙

4b 上空气间隙

5a 第一像素

5b 第二像素

5c 第三像素

6 控制电路

6a 至少一个晶体管的第一集电区

6b 至少一个晶体管的第二集电区

7 上基板

8 垂直连接器

9 通路孔

10 黑色罩

11 观察者

具体实施方式

参考图1，在本发明的示例性的实施例中，显示器包括下基板1(例如玻璃)，薄膜叠层2设置在下基板1上。薄膜叠层2通常是光学透明的且包括至少一个层2a，该层2a由导电材料制成并且因此可用作电极(基板电极)。两个柔性隔膜3a(下隔膜)和3b(上隔膜)位于所述基板1上且平行于基板1(位于薄膜叠层2的同一侧上)，所述隔膜对于显示器的有源区域(且在它们的平衡位置时)与基板1分开，且彼此分开空气间隙4a和4b，如图1所示。两个隔膜3a和3b在它们的平衡位置时空气间隙4a和4b的尺寸在制造期间由所谓的牺牲层的高度来确定，该牺牲层被沉积用于限定隔膜之间的特定间隔，且然后之后被蚀刻掉以留下与原始牺牲层厚度相同的空气间隙。隔膜3a和3b是导电性的或包含导电层3a1和3b1，因此它们也可以用作各自的电极。然而，导电层3a1(下隔膜电极)和3b1(上隔膜电极)被构图(be patterned)以保持显示器的不同的像素之间的电性隔离。规则间隔的隔膜3a和3b与基板1接触，如图2所示。通过以规则间隔将隔膜3a和3b连接至基板1，这提供了机械稳定性、便于制造，且提供了与图3中显示的显示器的控制电路6电接触的点。隔膜3a和3b还具有优选地从始至终分布的小的通路孔9(图2)，该通路孔9被用在制造过程(以允许蚀刻掉隔膜3a和3b最初被制造到其上的牺牲层)中。这些通路孔9还具有以下优点：在隔膜3a和3b被致动(即被上下移动，如下文所述)时，它们允许有用于空气进入和退出隔膜和薄膜叠层2之间的间隙4a和4b的路线。

显示器的每一像素可以包括这些隔膜中的一个或许多个，尽管为了优化控制每一像素包括至少两个隔膜。在示例性的实施例中，每一像素包括两个隔膜3a和3b，其能够在同一像素内彼此独立地移动，并独立于在显示器的其它像素中的等同隔膜层而移动，如图3所示。例如，图3显示三个独立的像素5a，5b和5c。像素5a示出包括空气间隙4a和4b的在它们的平衡的或均衡的状态中的隔膜3a和3b。像素5b显示除去空气间隙4b同时保持空气间隙4a的倒塌到隔膜3a上的隔膜3b。像素5c显示倒塌到薄膜叠层2上的两个隔膜3a和3b。这一独立控制通过将隔膜3a和3b电连接至控制电路6来实现，该控制电路6位于上基板7上，该上基板7被定位在上隔膜3b上。每一像素具有至少两个晶体管。例如，图3中的晶体管6a和6b是两个独立的晶体管(或晶体管的集电区)，它们被分别独立地连接至下和上隔膜3a和3b内的导电层3a1和3b1(图1)。因此，每个像素具有两个可利用的控制电压：每个控制电压经由各自的垂直连接器8电连接至隔膜3a和3b中的每一个，如在图4中更详细地显示的。在此处表明，如果上和下隔膜3b和3a包含夹在各自的导电层3b1和3a1之间的介电层，那么根据情况构图介电层，以便在导电层3a1和3b1与垂直连接器8之间形成电接触。图4还显示如何通过构图导电层3a1和3b1在相邻像素之间实现电隔离。图3显示，再次通过垂直连接器8，在基板1上的控制电路6与由下基板1上的导电层2a表示的电极之间还形成有另一连接。这仅是提供参考水平电压至导电层2a，使得可以将电势差分别施加到导电层2a与隔膜3a和3b中的导电层3a1和3b1中之间。对于整个显示器，这一连接通常仅需要被完成一次，且另外也可能连接至地面(如图3所示)，但是这种情况并不一定是必要的。

控制电路6提供电压至相对于导电层2a的导电层3a1和3b1。控制电压提供静电电荷至下和上隔膜3a和3b中的每一个，使得它们可以独立地相对于下基板1移动。根据本发明的方法，使用通过设计和/或经验地而能确定的适合的控制电压，控制电路6可以选择性地控制下和上隔膜与下基板1之间的间隙，用于在每一像素中获得期望的反射，如在下文更详细地描述的。

更具体地，通过控制隔膜3a，3b和下基板1之间的间隙，从隔膜3a和3b分别反射的光波与薄膜叠层2之间的相差可以被改变，从而控制总的反射光的强度和颜色。这确保可以控制基于干涉的MEMS装置。

下基板1与下隔膜3a至少是部分透射的，但是由于在任何两种媒介之间的边界处的折射率的变化，也至少是部分反射的。下隔膜3a还可以包含显著地吸收性的材料(诸如一些类型的金属)的薄层。上隔膜3b通常是基本上不透射的或不透明的反射层。

注意到，从下基板1的下面观看像素的观察者将通常不能看到垂直连接器8或用于以施加的电压驱动像素(例如5a，5b，5c)的控制电路6。连接器8通常被形成在下基板1或薄膜叠层2上的黑色罩材料10遮蔽，使得用户将不能看到连接器8，如图2所示。这不会减损显示器的质量，因为连接器8被定位在被固定至薄膜叠层2的各自的隔膜3a和3b的点处，且因此将无论如何不会提供光学对比度。控制电路6(晶体管和金属电极等)被定位在上隔膜3b上。通常，上隔膜3b将是光学不透明的，因此观察者将不能看到控制电路6。

图5显示可以用于实现光学特性的设计的特定例子，该光学特性对于反射式显示器是期望的，但是本发明决不限于这一设计。下基板1是透明材料，例如塑料或玻璃。在下基板1的顶部上的薄膜叠层2可以包括诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电层2a，其被“掩埋”在例如二氧化硅(SiO₂)的厚(～700nm)的介电材料层2b的下面。为了下述说明的目的，我们将假定用于下基板1，导电层2a和介电层2b的三种材料分别是玻璃、ITO和二氧化硅。然而，应当理解，本发明不限于这些材料。通常，在玻璃/SiO₂(n～1.5)与ITO(n～1.9)的折射率的不匹配将导致多次反射，其将影响显示器的性能。然而，在本发明中，由导电层2a形成的ITO电极被夹在具有这样的折射率和厚度的两个介电材料层2c和2d之间，以便使得这些多个反射最小，且有效地使得ITO导电层2a是不可见的。适合的三层夹层结构的例子在图5中显示，其中：介电层2c是72nm厚的SiON(n～1.7)，介电层2a是85nm厚的ITO(n～1.9)，介电层2d是72nm厚的SiON(n～1.7)。在这三个层2a，2c和2d的顶部上是厚的(～700nm)的二氧化硅介电层2b，然后是诸如氮化硅或二氧化锆材料(n～2.05)的较薄的(～55nm)介电层2e。下隔膜3a包括两个层3a1和3a2。两个层中的较下面的层3a1是吸收性的导电材料(例如钨(W)，钼(Mo)或铬(Cr))的非常薄(10-15nm)的层(即，以便大致是光学透明的)。下隔膜3a中的两个层中的较上面的层3a2是介电层(诸如，50nm的二氧化硅(SiO₂)，同样是基本上光学透明的)。上隔膜3b是基本上光学反射性的且可以就是上述的导电层3b1，如图5所示。例如，上隔膜3b可以是诸如铝(Al)，银(Ag)或镍(Ni)的反射性金属的层3b1。上隔膜3b的厚度并不关键(在光学考虑方面)，只要它比约50nm厚(即基本上是不透明的)。它可以由另外的介电层(未在图5中示出)支撑，以提供机械强度。在这一设计中，处于平衡状态中的下和上空气间隙4a和4b的值分别是约130nm和245nm。

根据需要的是窄带的(彩色的)或宽带的(无色的)反射，所述装置可以在两个不同的操作模式下工作。为了进入第一操作模式(其被用于产生窄带彩色反射)，下隔膜3a被保持与薄膜叠层2接触，使得如图6所示没有下空气间隙4a。这一操作模式用于显示黑色或彩色反射至从下基板1的下面观察的观察者。反射光的峰值波长由下隔膜3a和上隔膜3b之间的空气间隙4b的尺寸来决定。在空气间隙4b减小至零时，峰值波长处于可见光谱的紫外区域内，非常少的可见光被反射至观察者，使得像素看上去是黑色的。

对于将图5的设计用在第一操作模式中而将获得的光学性质的预测在图7中示出。(如将从下基板的下面以正入射来观察所述装置的观察者11所能看见的)结构的反射率被画出，其为在下隔膜3a和上隔膜3b之间的上空气间隙4b的四个不同的尺寸(具体地0nm(最小状态)，中间尺寸或大小135nm和195nm以及245nm(平衡状态))下光谱的可见光区域(400nm-700nm)的波长的函数。不同的尺寸分别对应于来自于像素的黑色、蓝色、绿色和红色反射。虽然我们在此处使用红、绿以及蓝色的传统例子，但是当然可以产生中间峰波长的颜色(例如紫色、青绿色、橙色和黄色)。这将对应于不同的上空气间隙4b。可以看到，峰值反射率预测为超过70％，其与来自好的质量的颜色纸的反射的反射率相比拟。因为上空气间隙4b不需要大于反射红光(在这一情形是245nm)所需要的值，所以如果这是空气间隙4b的平衡值则是有用的。这在装置的制造中通过隔开上隔膜3b与下隔膜3a所使用的牺牲层的厚度来确定。

在第二操作模式(其用于产生宽带反射且由此控制强度)中，下隔膜3a未被保持与薄膜叠层2接触，下空气间隙4a恢复到其平衡值(在图5设计的情形中是130nm)。替代地，下隔膜3a和上隔膜3b保持彼此接触，使得如图8所示没有上空气间隙4b。在这一操作模式中，还是针对图5示出设计的情形，得到来自像素的宽带的白色反射，如图7所示。在此处，宽带反射率是约60％，类似于纸的反射率。在这一情形中，在下空气间隙4a是130nm时产生白色状态，因此装置应当被设计成使得下空气间隙4a的平衡值具有这一值。这在装置的制造中通过隔开下隔膜3a与薄膜叠层2所使用的牺牲层的厚度来确定。

已经描述了两种操作模式如何用于产生下述类型的反射：黑色、白色和任何饱和颜色，该饱和颜色具有在光谱的可见区域(即从紫色至红色)中的任何区域中的单一的定义明确的波长峰。对于在图5中显示出的特定设计，表1总结了用于产生这些反射所需要的下空气间隙4a和上空气间隙4b的值。

表1

为了产生其它类型的反射(例如灰色、不饱和彩色和混合的颜色(例如紫红色))，显示器可以在不同的状态之间被快速地切换(次视频帧速率)，人眼的有限的反应速度将使得观察者看到在任何一个时间的真实的反射彩色(即可看见的单个颜色)的时间平均值。这在MEMS系统是可行的，由于它们所涉及的是非常轻质的隔膜和小的移动距离，它们能非常快速地响应施加的电压(不像LCD)。

例如，为了在白色和黑色之间的反射率上产生无彩色的灰度级中间状态，下隔膜3a和上隔膜3b应当保持接触，使得上空气间隙4b没有或是零。组合的隔膜3a+3b之后应当以快速方式上下移动，使得下空气间隙4a有时处于其平衡状态或接近其平衡状态(在图5的例子中该平衡状态是130nm)，使得在这些移动期间具有可见光的强的宽带的反射(反射率R_白色)。在其它时间，组合的隔膜3a+3b靠近或接触薄膜叠层2，使得没有下空气间隙4b或非常小，使得在这些移动期间只有非常少的反射可见光(反射率R_黑色)。通过以比人眼的响应速度大的速率上下移动组合的隔膜3a+3b，观察者所能看见的是具有在黑色和白色状态的反射率之间的反射率中间状态的无色反射，即灰色。这在图9中示出，其显示仍对于图5中显示的特定情形下空气间隙4a的理想时间依赖性。附图显示“理想的”行为，其中隔膜在两个不同的位置之间无限地快速地移动：实际上这将当然花费有限量的时间，但是希望是这一有限时间将仅为总时间范围的一小部分。在可能对应于显示器的刷新率的单个时间范围，将具有时间周期τ_白色，对于该时间周期组合隔膜3a+3b基本上接近其平衡位置(对于图5中的设计是130nm)；以及具有时间周期τ_黑色，对于该时间周期组合的隔膜将基本上接近薄膜叠层2。不考虑系统的有限的响应速度，获得的灰度级的反射率将由下述方程规定：

且因此可以通过改变时间间隔τ_白色和τ_黑色的相对比例来产生灰度级。

取决于装置的精确的层结构，还可以通过保持组合的隔膜3a+3b在距离薄膜叠层2的中间距离处或尺寸(在图5的设计的情形中，这将对应于在0nm和130nm之间的某个数值的下空气间隙)，而产生中间灰度级状态。是否可能通过使用这一替代技术来产生完全无色的灰度级只是所使用的精确的层结构的函数，如果灰度级的颜色被认为是可接受的，这将导致用于灰度级状态的功率消耗小于之前描述的时间顺序的方法。

在上文已经提及，通过使用第一操作模式，可以产生任何颜色，该颜色具有在光谱(即从紫色至红色的任何光谱，包括合成色青绿色和黄色)的可见光区域中的单一峰值波长。然而，为了产生第三合成色(紫红色)，这在可见光光谱中需要两个峰，因此这必须以下空气间隙4a在产生灰度级时所描述的方式非常相同的方式通过上空气间隙4b的时间顺序变化来产生。下空气间隙4a应当被减小至零，以便使下隔膜3a与薄膜叠层2接触，且进入第一操作模式。上空气间隙4b应当以快速的方式在对应于蓝和红色反射的值之间变化，其在图5的设计的情形中分别是135nm和245nm。为了产生纯紫红色颜色，在每一位置所花费的相对时间应当大致相等：为了产生“较红的”紫红色，较大部分的时间范围应当花费在红色位置上，为了产生“较蓝的”紫红色，应当在蓝色位置花费较大部分的时间。

现在描述，装置如何用于产生下述的像素外观：黑色、任何饱和的颜色，该饱和的颜色具有单一波长峰(紫色至红色)、紫红色(双波长峰)、白色和任何的灰度级。当然可以通过在两个操作模式(窄带和宽带)之间时间顺序地组合或交换来产生未饱和的颜色。例如，产生淡蓝色反射可以是通过依赖于眼的有限响应速度(从而平均有时是蓝色和有时是白色的反射)来完成。在图11中示出对于这种情形，随时间改变隔膜位置的例子。对于一部分时间范围，装置处于第一操作模式：下隔膜3a邻近薄膜叠层2，使得没有下空气间隙。上隔膜3b与下隔膜3a分隔开的上空气间隙4b具有以便反射蓝光的值(在图5的设计的情形中，该值是135nm)。对于另一部分的时间范围，下空气间隙4a被恢复至其平衡值(对应于图5的设计中的130nm)，下隔膜3a和上隔膜3b相接触，结果获得了强的宽带的反射(白色)。假设时间范围小于人眼的响应时间，那么所能看见的是蓝色和白色的混合，即淡蓝色。显然，其它的不饱和的或较暗的颜色可以通过混合适合量的黑色、白色和彩色反射来产生。

因此，可以通过使用具有两个独立可控的隔膜的单个基于干涉的MEMS像素来产生黑色、白色、灰色、饱和的以及不饱和的颜色。由这样的像素的阵列制成的显示器将具有非常好的颜色和白色状态反射率，这是因为缺少彩色的子像素(而是使用的是可调的颜色)和通过第二操作模式来实现高反射的宽带的白色状态。本发明包括在便携式装置(诸如移动电话、PDA、e-book等)以及面积较大的户外显示器等中的这样的显示器。

虽然此处主要在被空气填充的例子中描述了下和上间隙4a、4b，但是应当理解可以根据本发明在间隙内适合地采用各种其它的气体中的任意一种。优选地，气体是干的，并且在其他方面是与装置内的周围元件是不反应的。整个显示器优选地不透气地密封以保持在间隙4a、4b内的气体。当然，间隙内的气体压力应当不会对如在此处描述的隔膜的操作造成限制。

虽然已经关于特定的优选实施例显示和描述了本发明，但是显然在阅读和理解了本说明书时本领域其它技术人员将想到等同物和修改。本发明包括所有这样的等同物和修改，且仅由随附的权利要求的范围来限定。

工业实用性

在本发明中描述的显示器仅用作反射式显示器，即它不会产生光且因此适合于用在明亮环境下，诸如办公室条件和户外。因此对于诸如移动电话、PDA、e-book、手持游戏控制台、膝上型计算机等的便携式装置是适合的。另外非常适合于诸如标识、信息显示器和广告牌的面积较大的户外显示器。与任何其它的显示器相同，这一反射式显示器也可以装配有前灯，以使得它能够用在较暗的条件中，这将便于其与上述的装置一起在较暗的条件中使用，以及便于在诸如桌上型监控器和电视机等的其它类型的显示器中使用。

Claims

1.一种基于干涉的微机电系统(MEMS)装置，包括：

下基板，包括基板电极；

下隔膜，所述下隔膜与所述下基板隔开下间隙，所述下隔膜包括下隔膜电极；

上隔膜，位于所述下隔膜的与所述下基板相反的一侧上且与所述下隔膜隔开上间隙，所述上隔膜包括上隔膜电极；和

控制电路，被配置成提供控制电压至所述下基板、下隔膜和上隔膜的电极，以改变所述下间隙和上间隙的尺寸，从而控制所述装置对入射到所述下基板上的光线的反射特性。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路被配置成独立地控制所述下间隙和上间隙的尺寸。

3.根据权利要求1和2中任一所述的装置，其中所述下基板和下隔膜基本上是透射性的，所述上隔膜基本上是反射性的。

4.根据权利要求1和2中任一所述的装置，其中所述控制电路被配置成提供第一操作模式，在所述第一操作模式中所述下间隙的尺寸被减小至零使得所述下隔膜保持与所述下基板接触，通过控制所述上间隙的尺寸来决定由所述装置反射的光线的颜色。

5.根据权利要求4所述的装置，其中在所述第一操作模式期间，当所述上间隙的尺寸处于平衡状态时，所述反射光线的颜色是红色，当所述上间隙的尺寸被减小至零时，所述反射光线的颜色看上去基本上是黑色。

6.根据权利要求5所述的装置，其中在所述上间隙的对应的中间尺寸，所述反射光线的颜色包括蓝色和绿色。

7.根据权利要求1和2中任一所述的装置，其中所述控制电路被配置成提供第二操作模式，在所述第二操作模式中所述上间隙的尺寸被减小至零使得所述上隔膜保持与所述下隔膜接触，通过控制所述下间隙的尺寸来决定由所述装置反射的光线的强度。

8.根据权利要求7所述的装置，其中在所述第二操作模式期间，在所述下间隙的尺寸处于平衡状态时，所述反射光是白色，在所述下间隙的尺寸被减小至零时，所述反射光看上去基本上是黑色。

9.根据权利要求8所述的装置，其中在所述下间隙的对应的中间尺寸，所述反射光包括各个灰度级。

10.根据权利要求1和2中任一所述的装置，其中所述下隔膜电极和上隔膜电极被构图以限定由所述控制电路独立控制的像素阵列。

11.根据权利要求1和2中任一所述的装置，其中所述下隔膜和上隔膜间隔地连接至所述下基板。

12.根据权利要求1和2中任一所述的装置，其中所述下间隙和上间隙被填充空气。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述下隔膜和上隔膜包括通路孔，以便于空气进入和退出所述下间隙和上间隙。

14.一种便携式装置，包括显示器，其中所述显示器包括根据权利要求1和2中任一所述的基于干涉的MEMS装置。

15.一种控制根据权利要求1所述的基于干涉的MEMS装置的方法，其中所述控制电路被配置成提供第一操作模式，在所述第一操作模式中所述下间隙的尺寸被减小至零使得所述下隔膜保持接触所述下基板，通过控制所述上间隙的尺寸来决定由所述装置反射的光线的颜色，其中在所述第一操作模式中通过快速地改变所述上间隙的尺寸来提供需要在所述可见光光谱中的几个峰的反射光线的颜色，以便观察者看到的是单个颜色。

16.一种控制根据权利要求7所述的基于干涉的MEMS装置的方法，其中通过快速地改变所述下间隙的尺寸来提供灰度级，以便观察者看到的是单个灰度级。

17.一种控制基于干涉的微机电系统(MEMS)装置的方法，所述装置包括：下基板，所述下基板包括基板电极；下隔膜，与所述下基板隔开下间隙，所述下隔膜包括下隔膜电极；上隔膜，位于所述下隔膜的与所述下基板相反的一侧上且与所述下隔膜隔开上间隙，所述上隔膜包括上隔膜电极；和控制电路，被配置成提供控制电压至所述下基板、下隔膜和上隔膜的电极，以改变所述下间隙和上间隙的尺寸，从而控制所述装置对入射到所述下基板上的光线的反射特性；所述方法包括以下步骤：

在所述第一操作模式期间，将所述下间隙的尺寸减小至零使得所述下隔膜保持接触所述下基板，并且控制所述上间隙的尺寸用于控制由所述装置反射的光线的颜色，其中通过快速地改变所述上间隙的尺寸来提供那些需要在所述可见光光谱中的几个峰的反射光线的颜色，以便观察者看到的是单个颜色；

在所述第二操作模式期间，将所述上间隙的尺寸减小至零使得所述上隔膜保持与所述下隔膜接触，并且通过控制所述下间隙的尺寸来控制由所述装置反射的光线的强度，其中通过快速地改变所述下间隙的尺寸来提供灰度级，以便观察者看到的是单个灰度级；和

时间上顺序地组合所述第一和第二操作模式，以便通过观察者感知产生由所述装置反射的光线的不饱和的颜色。