專(zhuān)利名稱(chēng)：電熱驅(qū)動(dòng)的琺珀光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于顯示的干涉光學(xué)調(diào)制器；更具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于電熱驅(qū)動(dòng) 的琺珀光學(xué)調(diào)制器，該調(diào)制器適合于投影顯示。技術(shù)背景顯示器在人們的日常生活中起著越來(lái)越重要的作用，目前在市場(chǎng)上占據(jù)主要位置的是 CRT顯示器和液晶顯示器，CRT顯示器顯示色彩比較豐富，但是體積笨重。液晶顯示器體積 比較輕巧，但是存在響應(yīng)速度慢，光利用效率低等缺點(diǎn)。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于光MEMS技術(shù)的用于顯示的光調(diào)制器被提出。 代表性的是數(shù)字微鏡(DMD)和光柵光調(diào)制器。DMD調(diào)制速度快，對(duì)比度、亮度和均勻性都 非常好，但是它存在著制作過(guò)程復(fù)雜，良品率低的缺點(diǎn)。光柵光調(diào)制器利用衍射原理實(shí)現(xiàn)對(duì)光 的調(diào)制，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是光柵條的精細(xì)結(jié)構(gòu)增加了對(duì)工藝精度的要求?，m珀光調(diào)制器利用光的干涉原理實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制，調(diào)制器的反射鏡和琺珀腔可以通過(guò) MEMS的薄膜工藝和犧牲層技術(shù)形成，不需要光柵條那樣精細(xì)的橫向尺寸控制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比 較容易。目前已有一些公開(kāi)的專(zhuān)利提出了基于MEMS的干涉光調(diào)制器，如美國(guó)的第5,835,255號(hào)專(zhuān) 利。但是該專(zhuān)利是利用自然光作為光源，利用自然光作為光源可以降低最終產(chǎn)品的能耗，從而 使產(chǎn)品更輕便。但是該調(diào)制器的對(duì)比度比較低，而且利用濾色片的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色顯示，降低 了光能的利用率。這些因素制約了它只能局限一些低端顯示領(lǐng)域的使用，而不能用于性能要求 比較高的投影顯示領(lǐng)域。另外，該調(diào)制器利用靜電驅(qū)動(dòng)，靜電驅(qū)動(dòng)的吸合現(xiàn)象限制了空氣腔的 調(diào)制范圍，靜電驅(qū)動(dòng)中的介質(zhì)層充電問(wèn)題也是困擾器件最終可靠性的一個(gè)因素。發(fā)明內(nèi)容為了克服上述干涉光調(diào)制器顯示性能低，驅(qū)動(dòng)中容易出現(xiàn)吸合現(xiàn)象的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了 一種基于電熱驅(qū)動(dòng)和激光光源照明的琺珀光調(diào)制器，以達(dá)到降低驅(qū)動(dòng)電壓，消除驅(qū)動(dòng)中的吸合 現(xiàn)象，提高調(diào)制器的對(duì)比度和投影系統(tǒng)的亮度和顯示特性。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種電熱驅(qū)動(dòng)的琺珀光調(diào)制器，它包括a. 硅基底；b. 位于硅基底上的電熱驅(qū)動(dòng)部件，電熱驅(qū)動(dòng)部件至少三層材料制成，中間為作為絕緣層， 上、下兩層分別為熱膨脹系數(shù)不同的導(dǎo)電層；c. 位于電熱驅(qū)動(dòng)部件之上的支撐錨；d. 被連接支撐在支撐錨上的可動(dòng)下反射鏡；e. 通過(guò)鍵合的方法懸置固定在硅基底上的透明玻璃基板；f. 附著在玻璃基板下表面并與可動(dòng)下反射鏡相對(duì)的上反射鏡，上反射鏡和下反射鏡被空 氣層隔開(kāi)，形成琺珀腔。所述電熱驅(qū)動(dòng)部件是十字形狀梁架結(jié)構(gòu)、平板狀結(jié)構(gòu)、或者幾個(gè)平行梁組合結(jié)構(gòu)，電熱驅(qū) 動(dòng)部件的上層為鋁，下層為多晶硅，中間為作為絕緣層的二氧化硅。?，m珀腔的初始腔長(zhǎng)為kA/2，當(dāng)一束激光入射到光調(diào)制器的時(shí)候，其反射光強(qiáng)為-乂 /' (1)(H)2+4i sin2(T)ii和P分別為入射光強(qiáng)和反射光強(qiáng)，R為反射鏡的反射率，X為入射光的波長(zhǎng)，h為上下 反射鏡之間的空氣間隙。將l^kX/2代入公式(1)可以得反射光強(qiáng)為零，調(diào)制器表現(xiàn)為暗態(tài)。由于電熱驅(qū)動(dòng)部件上下表面具有兩種熱膨脹系數(shù)相差很大的材料，如鋁和多晶硅，當(dāng)電流 流過(guò)它們的時(shí)候，由于鋁的熱膨脹系數(shù)大于多晶硅，因此梁向上彎曲，推動(dòng)下反射鏡向上運(yùn)動(dòng)， 空氣腔的長(zhǎng)度變?yōu)?2k-l)入/4,利用公式(1)可求得，此時(shí)反射光強(qiáng)達(dá)大最大值，調(diào)制器表現(xiàn) 為亮態(tài)。當(dāng)電流撤消以后，電熱驅(qū)動(dòng)部件恢復(fù)到原始狀態(tài)，琺珀腔的長(zhǎng)度又變?yōu)閗X/2。因此 通過(guò)外加激勵(lì)電流可以時(shí)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)明暗顯示。用三個(gè)光調(diào)制器分別顯示R、 G、 B三色，即 可組成一個(gè)像素單元，就可以實(shí)現(xiàn)彩色顯示。多過(guò)像素單元進(jìn)一步可以組成陣列可以實(shí)現(xiàn)圖像 顯示。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明基于干涉原理，其雙層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得它不但克服了DMD復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且避免 了GLV精密的光柵部件，降低了對(duì)加工工藝的要求。由于采用電熱驅(qū)動(dòng)，因此具有驅(qū)動(dòng)力大、驅(qū)動(dòng)電壓低的特點(diǎn)，而且消除了傳統(tǒng)靜電驅(qū)動(dòng)中 的吸合現(xiàn)象，可以有效的防止上下兩個(gè)干涉面發(fā)生的黏附。 調(diào)制器采用激光作為照明光源，提高了器件的對(duì)比度；由于激光光源單色性好，增加了色 彩的飽和度，使得顯示畫(huà)面的色彩更加艷麗。 本發(fā)明可用于高清晰度投影顯示。


圖l(a)是本琺珀光調(diào)制器的立體結(jié)構(gòu)圖；圖l(b)本琺珀光調(diào)制器的剖面結(jié)構(gòu)圖；圖2是上反射鏡的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)是基底及電熱驅(qū)動(dòng)部件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)基底及電熱驅(qū)動(dòng)部件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a-圖4 f顯示的是本琺珀光調(diào)制器的工藝流程步驟。 圖5是由本琺珀光調(diào)制器組成的琺珀光調(diào)制器陣列。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)的闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。圖l(a)和圖l(b)為單個(gè)琺珀光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，1為玻璃基板，2為上反射鏡，3為琺珀腔， 4為可動(dòng)下反射鏡，5為連接電熱驅(qū)動(dòng)梁與下反射鏡的支撐錨，6為電熱驅(qū)動(dòng)部件，7為硅基底。 十字梁形狀的電熱驅(qū)動(dòng)部件6位于硅基底7上的，電熱驅(qū)動(dòng)部件6之上設(shè)置有支撐錨5連接支 撐可動(dòng)下反射鏡4,透明的玻璃基板1通過(guò)鍵合的方法懸置固定在硅基底7上，上反射鏡2附 著在玻璃基板1的下表面，并與可動(dòng)下反射鏡4相對(duì)，上反射鏡2和可動(dòng)下反射鏡4被空氣層 隔開(kāi)，形成琺珀腔3，琺珀腔3的初始長(zhǎng)度為1072。參見(jiàn)圖2，上反射鏡2是一個(gè)由多層介質(zhì)膜形成的介質(zhì)反射鏡，從上向下依次為多晶硅 膜21, 二氧化硅膜22，氮化硅膜23，附著在玻璃基板l上。當(dāng)然也可以選擇金屬膜，但是金 屬膜對(duì)光的吸收會(huì)降低反射光的強(qiáng)度。圖3(a)為電熱驅(qū)動(dòng)部件6的一個(gè)實(shí)施例，該電熱驅(qū)動(dòng)部件是一個(gè)十字梁架結(jié)構(gòu)，十字梁架 結(jié)構(gòu)的電熱驅(qū)動(dòng)部件6通過(guò)四端的支撐立柱9連接在硅基底7上,硅基底7上是一層二氧化硅 層8。圖3(b)為電熱驅(qū)動(dòng)部件6的剖面結(jié)構(gòu)圖，它由三層材料制成，中間為作為二氧化硅絕緣層 62,上、下兩層分別為熱膨脹系數(shù)差異較大的多晶硅導(dǎo)電層61，鋁導(dǎo)電層63,當(dāng)電流流過(guò)多 晶硅和鋁，熱阻效應(yīng)使得材料的溫度上升，由于鋁的熱膨脹系數(shù)大于多晶硅的熱膨脹系數(shù)， 因此十字梁架向上彎曲，引起下反射鏡向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)和激勵(lì)電流的大小，
使得下反射鏡運(yùn)動(dòng)的距離為為W4，因此在驅(qū)動(dòng)電流的作用下，空氣腔的長(zhǎng)度邊為(2k-l)W4， 此時(shí)調(diào)制器反射光的強(qiáng)度達(dá)到最大，調(diào)制器顯示為亮態(tài)。電熱驅(qū)動(dòng)梁的組成材料不僅僅只是由 多晶硅和鋁構(gòu)成，其他熱膨脹系數(shù)相差比較大的材料也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)它。 本琺珀光調(diào)制器的具體制作過(guò)程如下參考圖4a，首先在硅基底7上形成一層二氧化硅8，然后沉積一層多晶硅，光刻多晶硅， 形成四個(gè)支撐立柱9。圖4b,淀積、光刻多晶硅和二氧化硅，濺射、光刻鋁，形成十字梁架的電熱驅(qū)動(dòng)部件的 多晶硅導(dǎo)電層63、 二氧化硅絕緣層62和鋁導(dǎo)電層63。當(dāng)然電熱驅(qū)動(dòng)部件的實(shí)施例不僅僅局限 于該結(jié)構(gòu)，也包括其它類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。參考圖4c，淀積二氧化硅，光刻二氧化硅形成連接驅(qū)動(dòng)部件和下反射鏡的支撐錨5。 參考圖4d，沉積、光刻二氧化硅41，濺射、光刻鋁膜42，形成可動(dòng)下反射鏡4。 參考圖4e ，在玻璃基板1上依次生長(zhǎng)氮化硅薄膜，二氧化硅薄膜和多晶硅薄膜形成上反 射鏡2。參考圖4f，在玻璃基板1的四個(gè)角上生長(zhǎng)一定高度的立柱10，通過(guò)鍵合的方法將附著在玻 璃基板1上的上反射鏡2與下半部分封裝在一起，形成如圖l(a)所示的琺珀光調(diào)制器。 多個(gè)琺珀光調(diào)制器組合即可形成圖5所示的琺珀光調(diào)制器陣列11。
權(quán)利要求
1、一種電熱驅(qū)動(dòng)的琺珀光調(diào)制器，其特征在于它包括a.硅基底；b.位于硅基底上的電熱驅(qū)動(dòng)部件，電熱驅(qū)動(dòng)部件至少三層材料制成，中間為作為絕緣層，上、下兩層分別為熱膨脹系數(shù)不同的導(dǎo)電層；c.位于電熱驅(qū)動(dòng)部件之上的支撐錨；d.被連接支撐在支撐錨上的可動(dòng)下反射鏡；e.通過(guò)鍵合的方法懸置固定在硅基底上的透明玻璃基板；f.附著在玻璃基板下表面并與可動(dòng)下反射鏡相對(duì)的上反射鏡，上反射鏡和下反射鏡被空氣層隔開(kāi)，形成琺珀腔。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電熱驅(qū)動(dòng)的琺珀光調(diào)制器，其特征在于所述電熱驅(qū)動(dòng)部件是十字 形狀梁架結(jié)構(gòu)、平板狀結(jié)構(gòu)、或者幾個(gè)平行梁組合結(jié)構(gòu)，電熱驅(qū)動(dòng)部件的上層為鋁，下層 為多晶硅，中間為作為絕緣層的二氧化硅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電熱驅(qū)動(dòng)的琺珀光調(diào)制器，其特征在于琺珀腔的初始腔長(zhǎng)為 kA/2，調(diào)制器為暗態(tài)，被外加工作電壓激勵(lì)后，琺珀腔的長(zhǎng)度變?yōu)?2k-l)X;4，調(diào)制器為亮態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電熱驅(qū)動(dòng)的琺珀光調(diào)制器，其特征在于下反射鏡和上反射鏡是金屬反射鏡或多層介質(zhì)反射鏡。
全文摘要
一種用于顯示的電熱驅(qū)動(dòng)型琺珀光調(diào)制器，該結(jié)構(gòu)至少包含電熱驅(qū)動(dòng)部件、可動(dòng)下反射鏡和上反射鏡。電熱驅(qū)動(dòng)部件是由兩種熱膨脹系數(shù)相差比較大的材料構(gòu)成的多層梁。上下反射鏡之間的初始位置為kλ/2(λ為入射波長(zhǎng)，k為整數(shù))，當(dāng)入射光被調(diào)制器發(fā)射后其反射光強(qiáng)為零，調(diào)制器為暗態(tài)。當(dāng)激勵(lì)電流流過(guò)電熱驅(qū)動(dòng)部件的時(shí)候，由于熱阻效應(yīng)，兩種材料分別發(fā)生膨脹，膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力使得電熱驅(qū)動(dòng)部件發(fā)生形變，引起下反射鏡向上運(yùn)動(dòng)，上下反射鏡之間的距離變?yōu)?2k-1)λ/4，經(jīng)調(diào)制器反射后的光強(qiáng)取得最大值，調(diào)制器為亮態(tài)。當(dāng)電流撤銷(xiāo)之后，電熱驅(qū)動(dòng)部件恢復(fù)到原始狀態(tài)，兩個(gè)反射鏡之間的距離也隨之恢復(fù)到初始的狀態(tài)，調(diào)制器又變?yōu)榘祽B(tài)。利用該原理使調(diào)制器實(shí)現(xiàn)顯示的功能。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101162341SQ20071009303
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者史玲娜, 孫吉勇, 潔 張, 張智海, 黃尚廉 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)