專利名稱：一種微機械像素的機電顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種機電顯示的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種由微電腦控制微機電打擊頭對微型機械像素施加機械力改變顯示狀態(tài)的裝置，適合動態(tài)顯示黑白文字圖象信息。
近來，國外正積極開發(fā)代替紙張的動態(tài)黑白顯示技術(shù)，稱為“電子紙”或“電子墨水”。美國E-Ink公司的E_ink和美國Xerox公司的Gyricon是其中的典型。參閱相關(guān)的美國專利文件U.S.Pat.No.4,126,854，(Sheridon，”Twisting Ball Panel Display”)；U.S.Pat.No.6,055,091，(Sheridon，”Twisting-Cylinder Display”)；U.S.Pat.No.5,914,805，(Crowley，”Gyricon Display with Interstitially Packed Particles”)；U.S.Pat.No.6,124,851，(Jacobson，”Electonic Book with Multiple PageDisplays”)；U.S，Pat.No.6,120,588，(Jacobson，”ElectronicallyAddressable Microencapsulated Ink and Display Thereof)；U.S，Pat.No.6,262,833B1，(Loxley，Comisky，”Capsules for Electrophoretic Displaysand Methods for Making the Same”)。Gyricon的每個像素是密封在透明塑料里的帶電小球，小球浸泡在液體中，小球的一半帶正電，另一半帶負電，兩半的顏色不同。在電場作用下，小球會旋轉(zhuǎn)。至于是那一面顯示，由所加電場的極性決定。所以可以用電信號控制黑白的圖案。E_ink的像素是一種非常微小的透明樹脂膠囊，膠囊內(nèi)充滿透明液體，其中懸浮著黑白兩種微粒黑色是帶負電的碳，白色是帶正電的氧化鈦。將這種膠囊涂到膠片上，在其下部設(shè)置電極。根據(jù)“電泳”現(xiàn)象，在電極上加電時氧化鈦和碳就會上下運動，從而會出現(xiàn)黑白圖案。這兩種技術(shù)的顯示屏看上去和普通的紙張相似，靠反射光閱讀，顯示質(zhì)量達到新聞紙規(guī)范，沒有液晶的視角依賴性，其顯示內(nèi)容斷電后不丟失，所以可實現(xiàn)超低耗電。電極驅(qū)動采用有源矩陣電路，可直接使用液晶顯示器的TFT底板，所以價格接近TFT LCD。這類器件要想取代廉價的紙張，降低成本是關(guān)鍵。
本發(fā)明的目的可以采用以下技術(shù)措施來實現(xiàn)本發(fā)明的微機電黑白顯示方法有一個核心概念——微機械像素，顯示功能形成借助于一是利用電能轉(zhuǎn)換為機械能并使微機械像素做功，二是利用微機械像素的構(gòu)成材料對入射光有不同的吸收和反射特性得到黑白兩種狀態(tài)，三是利用磁性材料使黑白顯示能夠穩(wěn)定維持。
印刷機或打印機是將電能轉(zhuǎn)換為機械做功，紙面上的墨跡固定不變。本方法的微打擊頭使微機械像素做機械功；造成微機械像素內(nèi)部構(gòu)成的相對位置改變，由于構(gòu)成材料的光學性質(zhì)不同，相對位置改變引起入射光的吸收和反射特性互換；最終在透明屏幕上出現(xiàn)顯示的效果。這里使用兩種相反作用的機械力對微機械像素中的光吸收部分做功一種推動它產(chǎn)生向上位移貼近透明板，形成一個顯示狀態(tài)；而另一種吸引它向下位移遠離透明板，被反射光的部分遮擋，形成一個非顯示狀態(tài)。此外，由于構(gòu)成材料的磁性，在下一動作到來之前，顯示或非顯示可以一直保持，這就是黑白的雙穩(wěn)態(tài)。
一種微機械像素的機電顯示裝置主要由一個透明板，大規(guī)模數(shù)量的微機械像素(稱為PIX_MEMS)，一個微機電打擊頭，一個磁鐵模塊，一個微電腦中心控制單元(稱為CPU)，一個存儲器所構(gòu)成。
微機電打擊頭可以是微噴或微機械打印頭。利用微機電系統(tǒng)(MEMS)硅加工技術(shù)，一個微機電打擊頭可包含大量微噴嘴或者大量微打印針，排列結(jié)構(gòu)是顯示漢字點陣n*n(n行，n列)的形式，n至少大于8。
每個PIX_MEMS由一個反射腔體，一個磁性薄膜，一個顯示桿，一個顯示桿固定件，一個支撐桿，一個支撐桿固定件，一個像素底座所構(gòu)成。反射腔內(nèi)除普通空氣外充有一些磁性碎薄片。所有反射腔連成一體，所有磁性薄膜連成一體，所有顯示桿固定件連成一體，所有的支撐桿固定件連成一體，所有的像素底座連成一體。
結(jié)構(gòu)上，透明板的下面粘接反射腔，反射腔下面又粘接磁性薄膜，磁性薄膜下面又粘接顯示桿固定件，顯示桿固定件下面又粘接支撐桿固定件，支撐桿固定件下面又粘接像素底座。每個顯示桿下面粘接一個支撐桿。顯示桿套進顯示桿固定件后有間隙，支撐桿套進支撐桿固定件后有間隙，支撐桿套進像素底座后作間隙配合。
整個PIX_MEMS由塑料和金屬等非硅材料制成，各部分零件的形狀、大小尺寸如下(長度單位為微米μm，1mm(毫米)＝1000μm)反射腔由白色高反射率塑料制成，是圓形或者正多邊形的孔，圓形的直徑或者正多邊形的對角長度為50-250μm，高為100-250μm；反射腔的壁厚比起腔的尺寸是很小的，它決定了相鄰的微機械像素間距，大約為反射腔大小的1/20-1/10；磁性薄膜由白色高反射率磁性材料制成，截面形狀大小與反射腔相同，高度為50-100μm；磁性碎片由白色高反射率磁性材料制成，無固定形狀，其長、寬、高三維尺寸皆在10-20μm；顯示桿由黑色高吸收率硬質(zhì)塑料制成，是直徑為30-200μm，高度為200-500μm的圓柱體；顯示桿固定件是由硬質(zhì)材料制成的圓孔，顯示桿套進顯示桿固定件后有間隙，高度與顯示桿相同；支撐桿由帶磁性的硬質(zhì)材料制成的圓柱體，直徑略小于顯示桿，高度與顯示桿相同；支撐桿固定件是由帶磁性的硬質(zhì)材料制成圓孔，支撐套進支撐桿固定件后有間隙，高度與磁性薄膜相同；像素底座是由硬質(zhì)材料制成圓孔，支撐桿套進像素底座后作間隙配合，高度與支撐桿相同。
本發(fā)明裝置的技術(shù)原理如下當需要顯示新內(nèi)容時，CPU讀取存儲器的數(shù)據(jù)，并控制微機電打擊頭逐行、逐列運動，推動每個對應的PIX_MEMS的支撐桿，使顯示桿位移接近透明板，支撐桿受支撐桿固定件的磁力保持其狀態(tài)。由于顯示桿吸收透明板上方入射的散射光，使透明板持久顯示黑色。當需要清空原顯示內(nèi)容時，CPU不讀取存儲器，只控制磁鐵模塊逐行、逐列運動，吸引每個對應的PIX_MEMS的支撐桿，使顯示桿回到反射腔和磁性薄膜的下方，依靠支撐桿的磁力保持住，由于反射腔和磁性碎片充分反射入射的散射光，透明板持久顯示白色。
利用現(xiàn)代微機電系統(tǒng)(MEMS)可以在很小體積內(nèi)的硅材料上集成大量的機械、電氣元件，制成包含大量微噴嘴或微打印針的微機電打擊頭。這樣可以從存儲器里一次并行讀取一個點陣漢字n*n(n行，n列的像素)的數(shù)據(jù)，這里n通常為16、24、32、64。每次由CPU控制微噴或微打擊頭按照點陣漢字的“行”、“列”，把n*n比特的數(shù)據(jù)并行輸入給微噴或微打擊頭。相應的，每個微機電打擊頭在顯示最小高分辨漢字的面積內(nèi)包含n*n點陣的微噴嘴或者微打印針，各個微噴嘴或者微打印針受一個信號控制，同時對n*n個PIX_MEMS的支撐桿實施作用力。從而大大提高速度，滿足實用化要求。
本發(fā)明的積極效果本發(fā)明對比印刷機、打印機有如下優(yōu)點不需要紙張這樣的消耗品，利于環(huán)境保護；動態(tài)顯示，可以按照需要隨意更新、放大或縮小圖案信息；可以存儲很大的信息量，具備查詢、檢索功能。
本發(fā)明對比光電顯示器件有如下的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，比傳統(tǒng)的CRT、LCD顯示器更輕便，省電；制造材料比液晶LCD顯示器更普通廣泛；結(jié)構(gòu)單一，易于機械加工成型，適合批量生產(chǎn)；由于微機械像素采用高反射光和高吸收光的材料特性，顯示狀態(tài)無需靠電能維持，可讀性好，顯示質(zhì)量像白紙黑字一樣清晰穩(wěn)定，適合人的視覺享受。
本發(fā)明對比Gyricon和E_ink有幾個特點微機械像素的工作是純機械的，是靠機械力如微噴、微打擊頭作用，施加到PIX_MEMS，并靠機械力如磁力保持，耗電少；驅(qū)動方面的顯著優(yōu)點是不使用液晶TFT底版；加工方面微機械像素大量使用塑料、金屬等非硅材料純機械工藝，只有微噴或微打印頭是小面積上的機電集成的硅材料加工工藝，對比Gyricon和E_ink采用與LCD TFT同樣的大面積硅材料加工，可以大大降低制造成本。
根據(jù)以上的原理性描述，充分展現(xiàn)一種微機械像素的機電顯示裝置的反射型機電動態(tài)黑白顯示的方法。下面是一個典型的具體實用性裝置。


圖1一種微機械像素的機電顯示裝置原理框圖；圖2大規(guī)模數(shù)量的PIX_MEMS結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3微機械像素零件圖。
圖1為一種微機械像素的機電顯示裝置原理框圖。該裝置由一個透明板1，大規(guī)模數(shù)量的微機械像素(稱為PIX_MEMS)2，一個微機電打擊頭3，一個磁鐵模塊4，一個微電腦中心控制單元(稱為CPU)5，一個存儲器6所構(gòu)成。
微機電打擊頭3可以是微噴或微機械打印頭。利用微機電系統(tǒng)(MEMS)硅加工技術(shù)，一個微機電打擊頭3包含大量微噴嘴或者大量微打印針，它們排列結(jié)構(gòu)是顯示漢字點陣n*n(n行，n列)的形式，本例中，n為24。
圖2為大規(guī)模數(shù)量的PIX_MEMS 2結(jié)構(gòu)剖面圖。每個PIX_MEMS 2包含一個反射腔7，一個磁性薄膜8，若干磁性碎薄片9，一個顯示桿10，一個顯示桿固定件11，一個支撐桿12，一個支撐桿固定件13，一個像素底座14。
結(jié)構(gòu)上，透明板1的下面粘接反射腔7，反射腔7的下面又粘接磁性薄膜8，磁性薄膜8的下面又粘接顯示桿固定件11，顯示桿固定件11的下面又粘接支撐桿固定件13，支撐桿固定件13下面又粘接像素底座14，每個顯示桿10的下面粘接一個支撐桿12；顯示桿10套進顯示桿固定件11后有間隙，支撐桿12套進支撐桿固定件13后有間隙，支撐桿12套進像素底座14作間隙配合。反射腔7內(nèi)充有一些磁性碎薄片9。所有反射腔7連成一體，所有顯示桿固定件11連成一體，所有的支撐桿固定件13連成一體，所有的像素底座14連成一體。整個PIX_MEMS 2由塑料或金屬等非硅材料制成。
圖3為微機械像素2零件圖。各元件的材料要求、幾何形狀以及尺寸范圍如下(長度單位為微米μm，1mm＝1000μm)見圖3(a)，反射腔7由白色高反射率塑料制成，是直徑為L1為120μm，柱體的高L2為150μm的圓孔；磁性薄膜8由白色高反射率磁性材料制成，截面形狀大小與反射腔7相同，高度為L3為50μm；另外，圖中沒有畫出的磁性碎片9由白色高反射率磁性材料制成，形狀為球形，直徑為15μm。
見圖3(b)，顯示桿10由黑色高吸收率硬質(zhì)塑料制成，是直徑L4為100μm，高度L5為350μm的圓柱體；顯示桿固定件11是由硬質(zhì)材料制成的圓孔，顯示桿10套進顯示桿固定件11后有間隙，高度為L5。
見圖3(c)，支撐桿12由帶磁性的硬質(zhì)材料制成的圓柱體，直徑L6＝80μm，高度為L5的圓柱體；支撐桿固定件13是由帶磁性的硬質(zhì)材料制成圓孔，支撐桿12套進支撐桿固定件13后有間隙，高度為L3；像素底座14是由硬質(zhì)材料制成圓孔，支撐桿12套進像素底座14后作間隙配合，高度為L5。
技術(shù)原理如下一種微機械像素的機電顯示裝置，在未顯示信息時的復位初始狀態(tài)，微電腦CPU5不讀取存儲器6中的數(shù)據(jù)，也不送控制信號到微機電打擊頭3，所有的PIX_MEMS 2都處于在反射腔7的下方。PIX_MEMS 2還處于磁性薄膜8和磁性碎薄片9的下方。由于支撐桿12和支撐桿固定件13帶有磁性，所以顯示桿10不會改變位置，并且由于反射腔7和磁性碎薄片9把透明板1上方入射的散射光反射回去，從透明板1上方看到白色。
需要顯示信息時，存儲器6存儲像素的二進制“0”或“1”的信息，CPU5根據(jù)顯示內(nèi)容取出存儲器6相應單元中的一比特數(shù)據(jù)，輸入給微機電打擊頭3，并控制微機電打擊頭3走到適當位置，微機電打擊頭3根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容決定是否對支撐桿12噴射氣流或機械打印。如果二進制數(shù)為“1”，微機電打擊頭3便噴射氣流或機械打印到支撐桿12，支撐桿12受力后推動顯示桿10向上位移一段距離，并借助支撐桿固定件13的磁力使支撐桿12保持穩(wěn)定，同時顯示桿10將磁性碎片9頂開，并吸收來自透明板1上方的散射光，于是，在透明板1的入射光一側(cè)表現(xiàn)為黑色，該象素顯示信息。
需要對現(xiàn)有顯示清空原理如下磁鐵模塊4受CPU5控制逐行、逐列運動，吸引每個對應的PIX_MEMS 2的支撐桿12，使支撐桿12回到反射腔7和磁性薄膜8的下方，并依靠磁作用力保持這種機械狀態(tài)，這時入射的散射光被反射腔7和磁性薄膜8和磁性碎片9反射，從透明板1上方看到空白顯示。
為顯示大規(guī)模像素構(gòu)成的文字圖像，本發(fā)明方法需要大規(guī)模數(shù)量的PIX_MEMS 2，即大規(guī)模的顯示桿10、支撐桿12，以及大量的顯示桿固定件11和支撐桿固定件13，一個顯示桿10配合一個顯示桿固定件11，支撐桿12，配合一個支撐桿固定件13。所需數(shù)量根據(jù)顯示器面積和分辨精度來定。每次由CPU5順序控制存儲器6的讀數(shù)和微機電打擊頭3，按照數(shù)據(jù)內(nèi)容決定是否實施作用力到某一個支撐桿12，直到顯示完整個屏幕。
利用現(xiàn)代微機電系統(tǒng)(MEMS)可以在很小的體積上集成大量的機械、電氣元件，可以制成包含大量微噴嘴或微打印針的微機電打擊頭3。CPU5可以從存儲器6里一次并行讀取一個點陣的數(shù)據(jù)，按照新聞紙漢字顯示的規(guī)范，為達到字體大小3.5mm(毫米)的有光滑的筆畫，通常采用24*24點陣(24行，24列的像素)，即576比特的并行數(shù)據(jù)。每次由CPU5控制微機電打擊頭3按照字體大小3.5mm漢字的“行”、“列”，而不是比特數(shù)據(jù)的行、列運動，把576比特的數(shù)據(jù)并行輸入給微噴3。相應的，每個微機電打擊頭3在3.5*3.5mm2的面積內(nèi)包含一個24*24＝576個點陣微噴嘴或者微打印針，各個微噴嘴或者微打印針受一比特數(shù)據(jù)的信號控制，對3.5*3.5mm2面積大小的576個PIX_MEMS 2的支撐桿12實施作用力。從而一次可以顯示一個3.5mm的漢字，大大提高速度，滿足實用化要求。
本發(fā)明容易加工制造小型黑白文字圖像告示牌。把一種微機械像素的機電顯示裝置接上通信接口、鍵盤、鼠標器等標準外設(shè)，可以由另外的計算機發(fā)出指令和數(shù)據(jù)，在一種微機械像素的機電顯示裝置的動態(tài)顯示屏上實時顯示。
權(quán)利要求
1.一種微機械像素的機電顯示裝置，其特征在于由一個透明板，大規(guī)模數(shù)量的微機械像素，一個微機電打擊頭，一個磁鐵模塊，一個微電腦中心控制單元，一個存儲器所構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械像素的機電顯示裝置，其特征在于每個微機械像素由一個反射腔體，一個磁性薄膜，一個顯示桿，一個顯示桿固定件，一個支撐桿，一個支撐桿固定件，一個像素底座所構(gòu)成；所有反射腔連成一體，所有反射薄膜連成一體，所有顯示桿固定件連成一體，所有的支撐桿固定件連成一體，所有的像素底座連成一體，結(jié)構(gòu)上，透明板的下面粘接反射腔，反射腔下面又粘接磁性薄膜，磁性薄膜下面又粘接顯示桿固定件，顯示桿固定件下面又粘接支撐桿固定件，支撐桿固定件下面又粘接像素底座，每個顯示桿下面粘接一個支撐桿，顯示桿套進顯示桿固定件后有間隙，支撐桿套進支撐桿固定件后有間隙，支撐桿套進像素底座后作間隙配合，整個微機械像素由塑料或金屬等非硅材料制成。
3.據(jù)據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微機械像素的機電顯示裝置，其特征在于反射腔由白色高反射率塑料制成，是圓形或者正多邊形的孔，圓形的直徑或者正多邊形的對角長度為50-250μm，高為100-250μm；顯示桿由黑色高吸收率硬質(zhì)塑料制成，是直徑為30-200μm，高度為200-500μm的圓柱體；顯示桿固定件是由硬質(zhì)材料制成的圓孔，顯示桿套進顯示桿固定件后有間隙，高度與顯示桿相同；支撐桿由帶磁性的硬質(zhì)材料制成的圓柱體，直徑略小于顯示桿，高度與顯示桿相同；支撐桿固定件是由帶磁性的硬質(zhì)材料制成圓孔，支撐套進支撐桿固定件后有間隙，高度與磁性薄膜相同；像素底座是由硬質(zhì)材料制成圓孔，支撐桿套進像素底座后有間隙配合，高度與支撐桿相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微機械像素的機電顯示裝置，其特征在于反射腔內(nèi)充有一些磁性碎薄片，磁性薄膜由白色高反射率磁性材料制成，橫截面形狀大小與反射腔相同，高度為50-100μm，磁性碎片由白色高反射率磁性材料制成，無固定形狀，其長、寬、高三維尺寸皆在10-20μm，并大于顯示桿套進顯示桿固定件后的間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械像素的機電顯示裝置，其特征在于微機電打擊頭可以是微噴或微機械打印頭，利用微機電系統(tǒng)(MEMS)硅加工技術(shù)，一個微機電打擊頭可包含大量微噴嘴或者大量微打印針，排列結(jié)構(gòu)是按照字體大小2.5-4.5mm漢字點陣n*n(n行，n列的像素)的形式，n至少大于8，各個微噴嘴或者微打印針受一比特數(shù)據(jù)的信號控制，對n*n個微機械像素的支撐桿實施作用力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械像素的機電顯示裝置，其特征在于由CPU控制微機電打擊頭按照字體大小2.5-4.5mm漢字的“行”、“列”，而不是比特數(shù)據(jù)的行、列運動，把n*n比特(n行，n列的像素)的數(shù)據(jù)并行輸入給微機電打擊頭，n至少大于8。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種機電顯示的技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種微電腦控制的微型機電顯示方法的裝置,動態(tài)顯示黑白文字圖象信息。主要原理是,每個像素由細小的微型機械(MEMS)構(gòu)成,利用材料對外部入射光反射或吸收的特性,形成黑或白兩種穩(wěn)定狀態(tài)。顯示時,由微電腦輸出文字圖像的數(shù)字化電子信號,控制微噴頭或者微打擊頭對像素施加機械力,使其產(chǎn)生微小位移改變顯示狀態(tài)并靠磁力作用保持住,達到視覺效果。顯示質(zhì)量穩(wěn)定清晰,如白紙黑字,克服了光電顯示器件CRT、LCD、LED等閃爍、輻射、不能斷電、體積大及價格高的缺點?？勺鳛閭鹘y(tǒng)書籍和小型告示牌的電子替代品。
文檔編號G09F9/37GK1379278SQ02117718
公開日2002年11月13日 申請日期2002年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月14日
發(fā)明者張胤微, 張應冬, 張龍霄 申請人:張胤微