DE60317959T2

DE60317959T2 - Elektrostatischer bimorpher Aktor

Info

Publication number: DE60317959T2
Application number: DE60317959T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Kirkland SINCLAIR
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: DE60317959D1; EP1350758A3; JP2004001196A; US7053519B2; EP1350758A2; US20030184189A1; ATE380777T1; US20040227428A1; US7249856B2; EP1350758B1; JP4544826B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Aktuatoren für ein mikroelektromechanisches System (MEMS) und insbesondere Aktuatoren für ein elektrostatisches mikroelektromechanisches System (MEMS), die einen Bimorph-Aufbau verwenden.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aktuatoren für ein mikroelektromechanisches System (MEMS) stellen eine Steuerung von sehr kleinen Komponenten bereit, die durch herkömmliche Herstellungsverfahren für Halbleiter (z. B. CMOS) auf Halbleitersubstraten ausgebildet sind. MEMS-Systeme und -Aktuatoren werden manchmal als mikrobearbeitete Systeme auf einem Chip bezeichnet. MEMS Systeme können in einem breiten Bereich von Anwendungen eingesetzt werden.
Einer der herkömmlichen MEMS-Aktuatoren ist der elektrostatische Aktuator oder Kammantrieb. Gewöhnlich weisen solche Aktuatoren zwei Kammstrukturen auf, die jeweils mehrere, in einer Ebene parallel zu einem Substrat ausgerichtete Kammfinger haben. Die Finger der zwei Kammstrukturen sind miteinander verflochten. An die Kammstrukturen angelegte Potenzialdifferenzen errichten eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen ihnen, wodurch sich die Kammstrukturen zueinander hin und voneinander weg bewegen. Der herkömmliche elektrostatische Aktuator oder Kammantrieb ist auf eine Bewegung im Allgemeinen in der oder parallel zu der Ebene des darunter liegenden Substrats beschränkt.
Die Druckschrift WO 00/73 839 A betrifft eine elektrostatische MEMS-Vorrichtung, die in Schichten ein mikroelektrisches Substrat, eine Substrat-Elektrode, einen Substrat-Isolator und einen flexiblen Verbundstoff aufweist. Im Querschnitt weist der flexible Verbundstoff mehrere Schichten auf, die wenigstens eine Elektrodenschicht und eine oder mehr Vorspannungsschichten aufweisen. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Schichten spannen die mittleren und distalen Teile des flexiblen Verbundstoffs vor, so dass sie sich von der darunter liegenden Oberfläche wegrollen. Wenn keine elektrostatische Kraft angelegt wird, wird der bewegliche distale Teil so vorgespannt, dass er sich natürlich rollt, wobei dadurch der Abstand zwischen dem distalen Teil und der darunter liegenden planen Oberfläche geändert wird. Das Anlegen einer elektrischen Ladung an die Substrat-Elektrode und die flexible Elektrode erzeugt eine elektrostatische Kraft zwischen ihnen, die die flexible Elektrode zur Substrat-Elektrode anzieht, wobei sie bewirkt, dass der vorgespannte distale Teil zurückrollt und der Oberfläche des mikroelektrischen Substrats entspricht.
Gemäß: "A low voltage micromachined optical switch by stress-induced bending", von CHEN R T ET AL, MEMS 1999, 12. Internationale IEEE-Konferenz in Orlando, FL, USA, 17.–21. Januar 1999, Piscataway, NJ, USA, IEEE, US, 17. Januar 1999, Seiten 424–428 wird ein spannungsinduziertes Biegen von Polysiliziumplatten verwendet, um einen vertikalen Spiegel über einem Substrat aufzustellen. Es wird eine elektrostatische Kraft verwendet, um den Spiegel zum Substrat anzuziehen, um zwischen den gekreuzten und parallelen Zuständen eines optischen Schalters umzuschalten. Der Schalter besteht aus einem mit Gold beschichteten, gelenkig gelagerten Mikrospiegel, der am Ende eines Polysilizium-Auslegerträgers befestigt ist. Der Ausleger ist mit einer gespannten Schicht aus Cr und Au an seiner oberen Oberfläche beschichtet. Wenn die Struktur freigegeben wird, bewirkt die Spannung in dem Metallfilm, dass sich der Auslegerträger nach oben krümmt. Der Schalter befindet sich im gekreuzten Zustand, wenn der Spiegel über dem Lichtweg angehoben ist. Es wird eine Spannung zwischen dem gekrümmten Polysilizium-Träger und dem Substrat angelegt, um den Schalter zu betätigen. Der Träger wird elektrostatisch zum Substrat angezogen, wobei er vom gekreuzten Zustand in den parallelen Zustand wechselt.
Die Druckschrift US 5 784 189 betrifft ein elektrostatisches Lichtventil oder einen -verschluss, der aus einer festen Elektrode und einer drehbar bewegbaren Elektrode mit einem Isolator zwischen den zwei Elektroden besteht. Die bewegbare Elektrode gibt eine anisotrope Spannung frei, die bewirkt, dass sich die Elektrode dreht. Insbesondere ist die bewegbare Elektrode eine aufwickelbare Elektrode, die an einem Ende fixiert ist, das sich in einer bevorzugten Richtung aufrollt und beim Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden abrollt. Die fixierte Elektrode kann in fünf getrennt aufladbare Elektroden unterteilt werden, die parallel zueinander in der Richtung der Rollbewegung des Verschlusses verlaufen. Beim einem richtig beeinflussenden Potenzial an einigen der fixierten Elektroden, während der Verschluss herausrollt, ist es möglich, die Bewegung der Elektrode anzuhalten und in dieser Position zu falten oder zu arretieren. Es ist möglich, die Membran in ihrer arretierten Position zu halten, auch wenn das Potenzial an der Elektrode verändert wird.
Die Druckschrift WO 01 /45 120 A beschreibt einen variablen Kondensator mit einem mikroelektronischen Substrat, wenigstens eine Substrat-Elektrode und eine Substrat-Kondensatorplatte, die beide auf dem Substrat angeordnet sind, und ein Bimorph-Element, das relativ zu dem darunter liegenden Substrats steuerbar beweglich ist. Das Bimorph-Element weist eine erste und eine zweite Schicht auf, die aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet sind. Das distale Ende des Bimorph-Elements wird von dem Substrat relativ zum proximalen Ende weggerollt und am Substrat fixiert. Beim Betrieb wird der Abstand zwischen dem Substrat und den Bimorph-Elektroden und wiederum den Kondensatorplatten durch selektives Ändern der an das Substrat und die Bimorph-Elektroden angelegten Spannungen gesteuert.
In "Micromachined, flip-chip assembled, actuatable contacts for use in high density interconnection in electronics packaging", von MILLER D C ET AL, Sensoren und Aktuatoren A, Elsevier Sequoia S. A. Lausanne, CH, Bd. 89 Nr. 1–2, 20. März 2001, Seiten 76–87, werden Ausleger-Mikrokontakte erörtert, können aber in einer Relaisähnlichen Weise verwendet werden. Der Mikroverbinder besteht aus einem Bimorph-Träger, die aus Silizium und Gold zusammengesetzt ist. Sobald der Ausleger freigegeben wird, wird die Restspannung darin bewirken, dass er sich nach oben von dem Substrat wegrollt. Die Spannung gewährleistet, dass der Verbinder normalerweise mit einem "Vorrichtungschip" in Kontakt ist, der sich darüber befindet. Unter dem Ausleger ist eine Polysilizium-Elektrode, die verwendet werden kann, um den Ver binder elektrostatisch zu betätigen. Das elektrostatische Anziehen zieht den Träger nach unten zur Elektrode und unterbricht die Verbindung mit dem Vorrichtungschip darüber.
"Innovative micromachined microwave switch with very low insertion loss" von CHANG C ET AL, Sensoren und Aktuatoren A, Elsevier Sequoia S. A. Lausanne, CH, Bd. 79, Nr. 1, Januar 2000, Seiten 71–75 beschreibt einen mikrobearbeiteten Mikrowellenschalter auf einem halb isolierenden GaAs-Substrat, der einen Mikroaktuator verwendet, und eine koplanare Wellenführung, die eine elektrostatische Betätigung als den Schaltmechanismus verwendet. Der Mikroaktuator verwendet mehrere kontinuierlich gebogene Ausleger, die in Reihe verbunden sind. Ein Ausleger mit zwei Sektionen, einer geraden Auslegersektion und einer gekrümmten Auslegersektion, bildet die Basiseinheit des Mikroaktuators. Die gerade Auslegersektion ist aus einer Al-Schicht hergestellt, wobei die gekrümmte Auslegersektion aus einer Al-Schicht hergestellt ist, die mit einer Schicht aus einem Cr-Film kombiniert ist. Diese Sektion ist anfänglich auf Grund der unterschiedlichen Restspannung von Al und Cr gerollt. Wenn keine Gleichspannung zwischen der oberen Mikroaktuator-Struktur und der unteren Elektrode angelegt wird, ist der Aktuator aufgerollt und von der Wellenführungs-Signalleitung weit entfernt, so dass die Ausbreitung der Mikrowellen durch den Mikroaktuator kaum gestört wird. Wenn eine Spannung zwischen dem oberen Aktuator und der unteren Elektrode angelegt wird, zieht eine große elektrostatische Kraft den ersten Ausleger wegen einem sehr kleinen Spalt entlang der Länge des Auslegers zur unteren Elektrode. Ähnlich dazu werden alle Ausleger kontinuierlich gebogen, wobei dies zu einer großen Ablenkung an der Spitze des fünften Auslegers führt, wenn nur eine geringe Spannung angelegt wird.
Die nachveröffentlichte Druckschrift EP 1 341 025 betrifft ein optisches MEMS-Anzeigesystem mit einer Beleuchtungsquelle zur Bereitstellung von Beleuchtungslicht, eine Kollimationslinse zum Empfangen des Beleuchtungslichtes und zum Bilden eines kollimierten Beleuchtungslichtes daraus und eine Mikrolinsen-Anordnung auf, die eine Anordnung von Lenslets hat und das Beleuchtungslicht von der Kollimationslinse empfängt. Die Mikrolinsen-Anordnung richtet das Beleuchtungslicht auf eine Anordnung von Pixel-Aperturen in einer Aperturplatte und dann auf eine mikroelektro mechanische Reflektoranordnung, die gegenüber der Aperturplatte positioniert ist. Die mikroelektromechanische Reflektoranordnung weist eine Anordnung von mikroelektromechanischen Aktuatoren auf, die Reflektoren in Ausrichtung mit der Anordnung von Pixel-Aperturen trägt. Die Aktuatoren weisen flexible Bimorph-Arme und eine oder mehrere elektrostatische Aktivierungselektroden auf. Es werden ergänzende Signale an die Aktivierungselektroden und den flexiblen Arm angelegt, um eine elektrostatische Anziehung zwischen ihnen zu übertragen, die so wirkt, dass der flexible Arm im Allgemeinen flach gegen das Substrat gehalten wird. Wenn ergänzende Signale nicht an die Aktivierungselektroden und den flexiblen Arm angelegt werden, dient die Restspannung dazu, den flexiblen Arm aus der Ebene des darunter liegenden Substrats zu rollen. Es werden Abstandshalte-Beulen gezeigt, die sich vollständig über den Bimorph-Arm in der Richtung der Länge des Bimorph-Arms erstrecken.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Aufrechterhaltung des flexiblen Arms flach gegen das Substrat zu berücksichtigen, selbst nachdem das für die Substrat-Elektrode bereitgestellte Signal nachgelassen hat. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert ist. Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung unterscheidet sich von der Druckschrift EP 1 341 025 darin, dass sich eine oder mehrere Abstandshalte-Beulen vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken, mit der Maßgabe, dass das Erstrecken vollständig über den Bimorph-Arm nicht das vollständige Erstrecken über den Bimorph-Arm in Richtung der Länge des Bimorph-Arms umfasst.
Die vorliegende Erfindung umfasst einen elektrostatischen Bimorph-Aktuator, der einen freitragenden flexiblen Bimorph-Arm aufweist, der mit einem Ende an einem planen Substrat befestigt ist. In einem elektrostatisch aktivierten Zustand befindet sich der Bimorph-Arm im Allgemeinen parallel zum planen Substrat. In einem entspannten Zustand bewirkt die Restspannung im Bimorph-Arm, dass sich sein freies Ende aus der Ebene von dem planen Substrat erstreckt.
Der Aktuator weist eine Substrat-Elektrode auf, die am Substrat befestigt, aber elektrisch davon isoliert und unter und in Ausrichtung mit dem Bimorph-Arm positioniert ist. Eine zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode angelegte elektrische Potenzialdifferenz überträgt eine elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode, um den Aktuator zu aktivieren. Als eine beispielhafte Anwendung, in der solche Aktuatoren verwendet werden könnten, wird ein mikroelektromechanisches optisches Anzeigesystem beschrieben.
Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen fortgesetzt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1–15 Querschnittsansichten eines allgemeinen MEMS-Verfahrens für Mehrbenutzer, das nach dem Stand der Technik bekannt ist, zur Herstellung von mikroelektromechanischen Vorrichtungen. Die Schraffur ist weggelassen, um die Klarheit der Struktur nach dem Stand der Technik und des geschilderten Verfahrens zu verbessern;
16 eine schematische Seitenansicht eines mikroelektromechanischen (MEMS) optischen Anzeigesystems, die eine beispielhafte Betriebsumgebung für eine elektrostatische Aktuatorenanordnung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
17 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführung eines mikroelektromechanischen (MEMS) optischen Anzeigesystems, die eine beispielhafte Betriebsumgebung für eine elektrostatische Aktuatorenanordnung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
18 und 19 schematische Seitenansichten eines elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuators der Anordnung der vorliegenden Erfindung in jeweils einem aktivierten und entspannten Zustand;
20 eine Draufsicht eines elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuators;
21 und 22 Seitenansichten des elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuators von 20 in jeweils einem aktivierten und entspannten Zustand;
23 eine schematische grafische Darstellung einer 2 × 2 Anordnung von elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuatoren mit einem Speicherungs- oder Speichervermögen;
24 eine schematische grafische Darstellung einer 50 × 50 Anordnung von elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuatoren mit einem Speicherungs- oder Speichervermögen;
25 ein Ablaufdiagramm eines Zeilenfolge-Adressierungsverfahrens;
26 ein Diagramm, das die Hysterese-Charakteristiken eines elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuators mit Bezug auf angelegte Spannungsdifferenzen veranschaulicht;
27 eine schematische Seitenschnittansicht eines Spiegelteils einer Ausführung eines elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuators mit einer Verbundstruktur.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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.
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.
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.
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 elektrische Isolationsschicht aufgebracht. Der Silizium-Wafer und die Siliziumnitrid-Schicht bilden ein Substrat.
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).
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.
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.
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.
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).
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.
Eine zweite strukturelle Schicht, POLY 2 34, wird dann mit einer Dicke von 1,5 μm gefolgt von einem Aufbringen von 200 nm starkem 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).
Die letzte aufgebrachte Schicht in dem MUMP-Verfahren ist eine 0,5 μm starke Metallschicht 126, 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 Abhebeverfahrens gemustert wird. Die letzte nicht freigegebene bzw. nicht gelöste, beispielhafte Struktur wird in 14 gezeigt.
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.
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 vorlie genden Erfindung und ist nur eines von mehreren Verfahren, die zur Herstellung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
16 ist eine schematische Seitenansicht eines optischen Anzeigesystems 50 mit einer mikroelektromechanischen Struktur, die eine beispielhafte Betriebsumgebung für eine elektrostatische Aktuatorenanordnung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 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-Anordnung 62 mit einer zweidimensionalen Anordnung aus Lenslets 64 (nur eine Dimension ist dargestellt). Die Lenslets 64 der Mikrolinsen-Anordnung 62 empfangen das Beleuchtungslicht und fokussieren es durch Aperturen 66 in einer Aperturplatte 68 zu einem reflektierenden Modulator 70 mit einer mikroelektromechanischen Struktur (MEMS). Die Mikrolinsen-Anordnung 62 könnte als eine geformte Anordnung aus Kunststoff-Linsen oder eine Anordnung aus holographischen Linsen, auch als Hololinsen bezeichnet, ausgebildet sein oder sie könnte eine zusammengesetzte Anordnung aus herkömmlichen Glaslinsen sein.
Der reflektierende MEMS-Modulator 70 hat eine zweidimensionale Anordnung aus Reflektoren 72 mit einer mikroelektromechanischen 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 Linsenanordnung 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-Anordnung 62 können als eine Anzeigeeinheit 90 betrachtet werden, die für einen breiten Bereich von Anwendungen kompakt und effizient hergestellt werden kann.
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.
Bei einer Ausführung könnte zum Beispiel der reflektierende MEMS-Modulator 70 eine 200 × 200 Anordnung aus MEMS-Reflektoren 72 aufweisen, um das durch eine entsprechende 200 × 200 Anordnung von Aperturen 66 passierende Licht zu steuern. Bei dieser Ausführung könnte zum Beispiel die Mikrolinsen-Anordnung 62 200 × 200 Lenslets 64 aufweisen, die jeweils eine Brennweite von etwa 1 mm haben, wobei Aperturen 66 in einer richtigen, regulären Anordnung 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-Anordnung 62, 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.
17 ist eine schematische Seitenansicht eines optischen Anzeigesystems 150 mit einer mikroelektromechanischen Struktur (MEMS), die eine Ausführung einer polychromen Beleuchtungsquelle 152 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.
Die Beleuchtungsquelle 152 weist mehrere (z. B. drei) Lichtquellen (z. B. Lampen) mit Farbbestandteilen 156R, 156G und 1568 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, die im Allgemeinen als Halbbildfolgefarbe bekannt sind. 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.
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-Anordnungen 62 mit einer 204 × 204 Anordnung 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 Anordnungen von Aperturen 66 bzw. Reflektoren 72 aufweisen. Als eine alternative Ausführung wird man erkennen, dass man mehrere aufeinanderfolgende Beleuchtungsfarben durch ein sich drehendes Farbfilterrad und eine weiße Lichtquelle erhalten könnte, wie in der Technik bekannt ist.
18 und 19 sind schematische Seitenansichten eines elektrostatischen Bimorph-MEMS-Aktuators 170 der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem jeweils aktivierten und entspannten Zustand, die beispielsweise zum Steuern des MEMS-Reflektors 72 verwendet werden können. 18 zeigt einen MEMS-Reflektor 72 mit einer Ausrichtung hinter eine zugehörige Apertur 66 im Allgemeinen rechtwinklig zu einer Lichtausbreitungsrichtung 172. In diesem aktivierten Pixel-AN-Zustand 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 Pixel-AUS-Zustand 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.
20 ist eine Draufsicht des MEMS-Aktuators 170, wobei 21 und 22 Seitenansichten des MEMS-Aktuators 170 in einem jeweils aktivierten und entspannten Zustand sind.
Der MEMS-Aktuator 170 weist eine strukturelle Verankerung 174 (21 und 22) auf, die an einem Substrat 176 befestigt ist, das die Nitrid-Schicht 12 aufweist. In der Ansicht von 21 und 22 erscheint die Nitrid-Schicht 12 auf Grund der schematischen Darstellung der elektrischen Verbindungen mit den Elektroden 190 in Segmenten. 23 veranschaulicht korrekt die elektrischen Verbindungen 191 zwischen den Elektroden 190 so, dass sie auf der Nitrid-Schicht 12 positioniert und seitlich vom flexiblen Arm 178 versetzt sind. Man beachte, dass die Nitrid-Schicht 12 kontinuierlich über dem Substrat 176 und nicht als die Segmente ausgebildet ist, die durch 21 und 22 suggeriert werden. Ein Ende 177 eines freitragenden flexiblen Arms 178 ist an der Verankerung 174 befestigt oder einstückig damit ausgebildet und erstreckt sich zu einem freien oder schwebenden Flügelende 180, 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.
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.
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 liegen 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. Die Gelenkrillen 184 können einfach als ein Produkt oder eine Folge der Konformität der MEMS-Verarbeitung als Senkungen in der Poly 2 Schicht gebildet werden, die aus der Erzeugung von Abstandshalte-Beulen 202 hergestellt sind, die unten beschrieben werden.
Der MEMS-Aktuator 170 weist eine oder mehrere elektrostatische Aktivierungselektroden 190 auf, die in oder auf dem Substrat 176, aber davon isoliert, 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 Aktuator-Steuergeräten 192 und 194 elektrisch verbunden. Eine optionale Speicher- oder Sperrelektrode 196 ist unter dem schwebenden Flügelende 180 ausgebildet und mit einem optionalen Speicher-Steuergerät 198 elektrisch verbunden.
In dem in 21 veranschaulichten aktivierten Pixel-AN-Zustand werden ergänzende Signale oder elektrische Zustände durch die Aktuator-Steuergeräte 192 und 194 an die jeweiligen Aktivierungselektroden 190 und den flexiblen Arm 178 angelegt, 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 Speicherelektroden 196 und 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.
Abstandshalte-Beulen 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 Pixel-AN-Zustand. Die Beulen 202 kontaktieren die elektrisch isolierende (z. B. Nitrid-Schicht) des Substrats 176. Eine Beule 202 am Ende des Flügelendes 180 hält außerdem den Reflektor 72 im aktivierten Pixel-AN-Zustand flach (d. h. parallel zum Substrat 176) sowie den flexiblen Arm 178 von der Speicherelektrode 200 beabstandet. Die Abstandshalte-Beulen 202 können sich teilweise oder vollständig über den flexiblen Arm 178 erstrecken.
In dem in 22 veranschaulichten entspannten Pixel-AUS-Zustand werden ergänzende Signale oder elektrische Zustände von den Aktuator-Steuergeräten 192 und 194 nicht an die jeweiligen Aktivierungselektroden 190 und den flexiblen Arm 178 angelegt, oder die ergänzenden Signale sind nicht ausreichend, um den Aktuator 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.
Bei einer Ausführung ruht der Reflektor 72 in dem entspannten Pixel-AUS-Zustand 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 Aktuator 170 zu aktivieren oder freizugeben (d. h., der Wechsel zwischen dem entspannten Pixel-AUS-Zustand und dem aktivierten Pixel-AN-Zustand). Man wird erkennen, dass diese Übergangszeit geändert und im Wesentlichen verringert werden kann.
23 ist eine schematische grafische Darstellung einer 2 × 2 Anordnung 210 aus Aktuatoren 170 mit einem Speicherungs- oder Speichervermögen, um die Funktionsweise der Aktuatoren 170 zu veranschaulichen. Die Funktionsweise der Anord nung 210 wird mit Bezug auf die folgenden Aktivierungs- oder Steuersignale beschrieben:

Vse: = Speicherelektrodenspannung
Ry: = Spiegelarmspannung für Reihe – y
Cx: = Betätigungselektrodenspannung für Spalte – x

Als eine beispielhafte Ausführung wird die Betätigung eines einzelnen Aktuators 170 an einer Stelle CxRy in der Anordnung 210 (z. B. die Stelle C1R2) in den aktivierten Pixel-AN-Zustand 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 Aktuator 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 Aktuator 170 in der Spalte liefert. Diese beispielhafte Reihen- und Spalten-Aktivierungsspannungen errichten am Aktuator 170 an einer Stelle CxRy in der Anordnung 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 Aktuator 170 zu aktivieren.
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.
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 Aktuator 170 an der Stelle CxRy aktiviert wird. Bei Ry = + 60 Volt und Cx = – 60 Volt werden zum Beispiel andere Aktuatoren 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 Aktuatoren 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 Aktuatoren 170, die nicht speziell aktiviert oder adressiert wurden, eine Differenz von wenigstens 25 Volt, die ausreichend ist, um sie in dem Pixel-AN-Zustand zu halten.
Aktuatoren 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 Pixel-AN-Zustand 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 Pixel-AUS-Zustand 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, parallel zum Substrat) nur übergehen, wenn A_xy > 114 Volt.
Freigabe (aus dem betätigten Zustand)
der Spiegel wird in den freigegebenen Zustand (nach oben) nur übergehen, wenn A_xy < 53 Volt und H_xy < 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 Anordnung 230 von Aktuatoren 170 mit einem Speicherungs- oder Speichervermögen. Die Anordnung 230 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 Aktuatoren 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 Elektronik 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.
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 Aktuatoren 170 aufeinanderfolgend adressiert werden, wird eine Dauer von etwa 50 × 50 × 1 ms oder 2,5 Sekunden benötigt, um alle Aktuatoren 170 in der Anordnung 230 zu adressieren. Man wird erkennen, dass nur jene Aktuatoren 170 mit einem Reflektor 72, die eine Änderung des Zustands erfordern, adressiert werden müssen. Demzufolge will weniger Zeit erforderlich sein, wenn weniger als alle Aktuatoren 170 adressiert werden müssten. Wenn 50 Reihentreiber 234 und 50 Spaltentreiber 238 verwendet werden, können ganze Reihen oder Spalten gleichzeitig adressiert und die Aktuatoren 170 in den Reihen oder Spalten parallel aktiviert werden, wobei dadurch die Anordnungs-Adressierungsdauer auf etwa 50 ms gesenkt wird.
25 ist ein Ablaufdiagramm eines Zeilenfolge-Adressierungsverfahrens 250, das mit Bezug auf die beispielhafte Ausführung des oben beschriebenen Aktuators 170 und der Anordnung 230 beschrieben wird. Man wird erkennen, dass das Zeilenfolge-Adressierungsverfahren 250 ohne weiteres an andere Ausführungen von Aktuatoren 170 und Anordnungen 230 angepasst werden könnte.
Der Schritt 252 kennzeichnet einen Schritt "Alles Löschen", in dem zum Beispiel die Reflektoren 72 von allen Aktuatoren 170 in der Anordnung 250 in einen entspannten Nicht-Pixel-aus-Zustand 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 Aktuatoren 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 Aktuator 170 in seinem aktivierten Pixel-AN-Zustand bis zur Freigabe gehalten wird. Dieser Schritt beeinflusst Aktuatoren beim entspannten Pixel AUS nicht, da die Aktivierung der Speicherelektroden 240 nicht ausreichend ist, um einen Aktuator 170 im entspannten Zustand zu aktivieren.
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 Aktuatoren 170 in der Anordnung 230 ein. Der Beginn des Schrittes 256 kann dargestellt werden als: Einstellen von "i" = 1.
Der Schritt 258 kennzeichnet einen Schritt "Einstellen der Reihe-i", in dem die Speicherelektroden 240 für alle Aktuatoren 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.
Zum Aktivieren von Aktuatoren 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 RxCy ist betätigt).
Zum Freigeben der Aktuatoren 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) gilt 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 Elektroden-Haltefunktion in der Reihe-i in diesem Schritt gibt, da Hx,y = i = 0 Volt. Demzufolge stellt der Schritt 258 die Zustände der Aktuatoren 170 in der Reihe-i auf ihre erforderlichen neuen Positionen ein (oder gibt früher betätigte und gehaltene frei) und hält sie in diesen Zuständen, während die Spannungen im Schritt 258 gehalten werden.
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 Aktuatoren 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.
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.
Der Schritt 264 kennzeichnet einen Schritt "Wiederholen", der zum Schritt 256 zurückkehrt.
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 Beulen 202 gegen das Substrat 176 gezogen, wobei der Reflektor 72 flach, nominal bei 0 Grad, in einem aktivierten Pixel-AN-Zustand liegt.
26 ist ein Diagramm 280, das die Hysterese-Charakteristiken von einem Aktuator 170 mit Bezug auf die angelegten Spannungsdifferenzen veranschaulicht. Gemäß 26 weist Aktuator 170 Hysterese-Effekte derart auf, dass nach der Aktivierung bei etwa 114 Volt die angelegte Spannungsdifferenz unter 53 Volt verringert werden muss, damit der Aktuator 170 freigegeben wird.
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 unter 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.
Es ist nützlich zum Verstehen der vorliegenden Erfindung, dass es die Hysterese des Aktuators 170 ihm ermöglicht, betrieben und ohne die Anwendung von Speicherelektroden 240 in seinem aktivierten, nach unten gerichteten Zustand gehalten zu werden. Ein solcher Betrieb erfordert engere Toleranzen als die Reihen- und Spalten-Treiberspannungen und kann empfindlicher sein, und Schwankungen zu verarbeiten oder herzustellen, die einen Betriebsausfall verursachen können. Nichtsdestotrotz ist es nützlich zum Verstehen der vorliegenden Erfindung, dass der Aktuator 170 ohne Speicherelektroden 240 betrieben werden kann, um eine einfachere Ausstattung bereitzustellen und das Erfordernis für Speichertreiber zu beseitigen.
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 Beulen 202 können in der Poly 2 Schicht mit einer Verankerung 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 dadurch 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 Beulen 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, die in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

Mikroelektromechanische Aktuator-Anordnung, die eine Vielzahl elektrostatischer mikroelektromechanischer Bimorph-Aktuatoren (170) umfasst, die jeweils umfassen: einen flexiblen Ausleger-Bimorph-Arm (178), der an einem Ende an einem planen Substrat (176) befestigt ist, eine Länge von dem an dem Substrat befestigten Ende zu einem distalen Ende enthält und selektiv in einen aktivierten Zustand und einen entspannten Zustand positioniert werden kann, wobei der Bimorph-Arm in dem aktivierten Zustand im Allgemeinen parallel zu dem planen Substrat ist und sich in dem entspannten Zustand von dem planen Substrat aus der Ebene erstreckt; eine Substrat-Elektrode (190), die an dem Substrat befestigt und unter dem Bimorph-Arm und auf ihn ausgerichtet positioniert ist; eine elektrische Aktivierungs-Kupplung (191), die eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode anlegt, wobei die elektrische Potentialdifferenz den Aktuator mit elektrostatischer Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode aktiviert; einen oder mehrere Abstandshalte-Beulen (202), die sich von dem Bimorph-Arm auf das Substrat zu erstrecken, um den Bimorph-Arm in beabstandeter Beziehung zu dem Substrat zu halten, wenn der Aktuator betätigt wird, und die sich vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken, wobei, dass sie sich vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken, nicht einschließt, dass sie sich in der Richtung der Länge vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken; eine Speicherelektrode (196, 200, 240), die an dem Substrat befestigt und unter dem distalen Ende des Bimorph-Arms und auf ihn ausgerichtet positioniert ist; eine elektrische Speicher-Kupplung, die ein elektrisches Potential an der Speicherelektrode relativ zu dem Bimorph-Arm empfängt, um elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Speicherelektrode zu bewirken und den Bimorph-Arm in dem aktivierten Zustand zu halten, wobei die elektrischen Speicherkupplungen aller Aktuatoren elektrisch miteinander verbunden sind.
Aktuator-Anordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Aktuator des Weiteren eine Verankerung umfasst, die an dem planen Substrat befestigt ist, und der Bimorph-Arm an einem Ende an der Verankerung befestigt ist und sich entlang des Substrats und darüber erstreckt, wobei die Substrat-Elektrode jedes Aktuators gegenüber dem Substrat isoliert ist, und wobei die elektrische Aktivierungs-Kupplung jedes Aktuators so eingerichtet ist, dass sie eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode empfängt, um die elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode zu bewirken und so den Aktuator zu aktivieren.
Aktuator-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bimorph-Arm jedes Aktuators eine Schicht aus Halbleitermaterial und eine Schicht aus einem anderen Material enthält, das einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich von dem Halbleitermaterial unterscheidet, um eine unterschiedliche Restspannung in dem Bimorph-Arm zu bewirken.
Aktuator-Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Restspannung eine Neigung des Bimorph-Arms erzeugt, sich aus der Ebene von dem Substrat weg zu krümmen, wenn der Aktuator entspannt ist.
Aktuator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Bimorph-Arm jedes Aktuators des Weiteren eine reflektierende Fläche umfasst, die an einem Ende des Bimorph-Arms gegenüber dem restlichen Ende positioniert ist.
Aktuator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrische Speicher-Kupplung jedes Aktuators so eingerichtet ist, dass sie das elektrische Potential an der Speicher-Elektrode relativ zu dem Bimorph-Arm empfängt, um die elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Speicher-Elektrode separat von der Potentialdifferenz zu empfangen, die zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode angelegt wird.
Aktuator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die des Weiteren eine Quelle eines elektrischen Potentials umfasst, die mit der elektrischen Speicher-Kupplung jedes Aktuators verbunden und so eingerichtet ist, dass sie das Potential der elektrischen Speicher-Kupplung relativ zu dem Bimorph-Arm bereitstellt.
Aktuator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren eine Quelle eines elektrischen Potentials umfasst, die mit der elektrischen Aktivierungs-Kupplung jedes Aktuators verbunden ist und so eingerichtet ist, dass sie die Potentialdifferenz der elektrischen Aktivierungs-Kupplung zum Aktivieren des Aktuators bereitstellt.
Aktuator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das plane Substrat ein planes Halbleitersubstrat umfasst.
Aktuator-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich jeder Aktuator in einer ersten ausgerichteten Gruppe (232, 236) von Aktuatoren und einer zweiten ausgerichteten Gruppe (232, 236) von Aktuatoren befindet und die erste sowie die zweite ausgerichtete Gruppe von Aktuatoren sich in einer ersten bzw. einer zweiten Querrichtung erstrecken und die Anordnung mehrere erste und zweite ausgerichtete Gruppen von Aktuatoren enthält.
Aktuator-Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Bimorph-Arme der Aktuatoren in jeder ersten ausgerichteten Gruppe von Aktuatoren elektrisch miteinander verbunden sind und die Substrat-Elektroden der Aktuatoren in jeder zweiten ausgerichteten Gruppe von Aktuatoren elektrisch miteinander verbunden sind.
Aktuator-Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste und die zweite ausgerichtete Gruppe von Aktuatoren rechtwinklig zueinander sind und entsprechende Reihen (232) und Spalten (236) von Aktuatoren bilden.
Verfahren zum Steuern von Aktivierung eines einer Vielzahl mikroelektromechanischer Aktuatoren (170) einer mikroelektromechanischen Aktuator-Anordnung, wobei das Verfahren umfasst: selektives Anlegen einer Aktivierungs-Potentialdifferenz zwischen einem flexiblen Ausleger-Bimorph-Arm (178), der an einem Ende an einem planen Substrat (176) befestigt ist, und einer Substrat-Elektrode (189), die an dem Substrat befestigt und unter dem Bimorph-Arm sowie darauf ausgerichtet positioniert ist, wobei die Potentialdifferenz den Bimorph-Arm aktiviert, indem sie eine elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode bewirkt, um den Bimorph-Arm gegen eine Restspannung in dem Bimorph-Arm im Allgemeinen parallel zu dem planen Substrat zu halten, wobei der Bimorph-Arm eine oder mehrere Abstandshalte-Beulen (202) umfasst, die sich von dem Bimorph-Arm auf das Substrat zu erstrecken, um den Bimorph-Arm in beabstandeter Beziehung zu dem Substrat zu halten, wenn der Aktuator aktiviert wird, und die sich vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken, wobei, dass sie sich vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken, nicht einschließt, dass sie sich in der Richtung der Länge des Bimorph-Arms vollständig über den Bimorph-Arm erstrecken, selektives Ablassen wenigstens eines Teils der Aktivierungs-Potentialdifferenz, so dass die Restspannung in dem Bimorph-Arm Ausdehnung eines freien Endes aus der Ebene heraus und von dem planen Substrat weg bewirken kann; selektives Anlegen einer Speicher-Potentialdifferenz zwischen dem Bimorph-Arm und einer Speicher-Elektrode (196, 200, 240), die an dem Substrat befestigt und ihm gegenüber isoliert ist und unter dem freien Ende des Bimorph-Arms und darauf ausgerichtet positioniert ist, wobei die Potentialdifferenz eine elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Speicher-Elektrode bewirkt, um den Bimorph-Arm gegen die Restspannung in dem Bimorph-Arm im Allgemeinen parallel zu dem planen Substrat zu halten, und sie über eine elektrische Speicher-Kupplung des Aktuators aufgenommen wird, die mit den elektrischen Speicher-Kupplungen aller anderen Aktuatoren der Anordnung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren selektives Ablassen eines Teils der Aktivierungs-Potentialdifferenz und wenigstens eines Teils der Speicher-Potentialdifferenz umfasst, so dass die Restspannung in dem Bimorph-Arm das freie Ende aus der Ebene heraus und von dem planen Substrat weg ausdehnen kann.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei jeder Aktuator des Weiteren eine Verankerung umfasst, die an dem planen Substrat befestigt ist, und der Bimorph-Arm an einem Ende an der Verankerung befestigt ist und sich entlang des Substrats und darüber erstreckt, wobei die Substrat-Elektrode jedes Aktuators gegenüber dem Substrat isoliert ist, und das Verfahren des Weiteren Empfangen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode an der elektrischen Aktivierungs-Kupplung umfasst, um die elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode zu bewirken und so den Aktuator zu aktivieren.
Verfahren nach Anspruch 13 bis 15, wobei der Bimorph-Arm jedes Aktuators eine Schicht aus Halbleitermaterial und eine Schicht aus einem anderen Material enthält, das einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich von dem des Halbleitermaterials unterscheidet, um eine Differenz-Restspannung in dem Bimorph-Arm zu bewirken, und wobei das Verfahren des Weiteren Entspannen des Aktuators dadurch umfasst, dass die Restspannung eine Neigung des Bimorph-Arms jedes Aktuators verursacht, sich aus der Ebene von dem Substrat weg zu rollen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, das des Weiteren Empfangen des elektrischen Potentials an der Speicher-Elektrode relativ zu dem Bimorph-Arm an der elektrischen Speicher-Kupplung jedes Aktuators umfasst, um die elektrostatische Anziehung zwischen dem Bimorph-Arm und der Speicher-Elektrode separat von der elektrischen Potentialdifferenz zu bewirken, die zwischen dem Bimorph-Arm und der Substrat-Elektrode angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, das des Weiteren umfasst, dass das Potential der elektrischen Speicher-Kupplung relativ zu dem Bimorph-Arm durch eine Quelle eines elektrischen Potential bereitgestellt wird, die mit der elektrischen Speicher-Kupplung jedes Aktuators verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, das des Weiteren umfasst, dass die Potentialdifferenz der elektrischen Aktivierungs-Kupplung zum Aktivieren des Aktuators durch eine Quelle eines elektrischen Potentials bereitgestellt wird, die mit der elektrischen Aktivierungs-Kupplung jedes Aktuators verbunden ist.