微機電系統器件及其製造方法
2023-09-19 07:18:15
專利名稱：微機電系統器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及微機電系統器件的操作。具體地，其涉及微機電系統器件中陣列元件的操作或驅動。
背景技術：
微機電系統(MEMS)器件可包括元件陣列，其中元件可通過操作電壓的應用，操作於一個或多個被驅動的和未被驅動的狀態之間。根據具體的微機電系統器件，元件可包括幹涉調製器(IMODs)，開關，紅外(IR)檢波器(detector)，等。
在某些微機電系統器件中，有可能需要多個陣列，其中每個陣列只包括特定類型的元件，且其中每種元件類型需要不同的操作電壓。一個這樣的器件的例子是彩色IMOD基的顯示器，它在美國專利6040937中有所說明，其包括三組或陣列的IMODs，這些IMODs被設計用來在顏色紅/黑，綠/黑和藍/黑之間切換。每個IMODs陣列具有不同的操作電壓。
由於需要不同的操作電壓，因而在這些多陣列中的元件未被驅動的和被驅動的狀態之間驅動它們提出了一個挑戰。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種微機電系統器件，其包括多個元件，每個元件都具有至少兩個堆疊關係布置的層，當元件處於未被驅動狀態時，其間有一個間隙，多個元件至少為兩種不同的類型，每個類型的間隙高度不同；並且驅動這些元件至被驅動狀態的驅動機構，其中每個元件的一個層相對另一個層被靜電位移，而且其中操作驅動機構的最小電壓基本上對每個類型的元件是相同的。
根據本發明第二方面，提供了一種製造微機電系統器件的方法，其包括構造一個陣列元件，每個元件具有第一層，第二層和電極層，第二層在未驅動狀態時和第一層以一定的間隙隔開，電極層用於在被激勵時相應於驅動狀態靜電驅動第二層以接觸第一層，這些元件至少為兩種不同的類型，其間隙的高度不同，其中所述的構造包括改變每種元件類型的配置以補償電壓的差別，該電壓為驅動每個元件至被驅動狀態的所需的電壓。
根據本發明進一步的方面，提供了一種微機電系統器件，其包括多個元件，每個元件具有第一層，第二層和電極層，第二層在未被驅動狀態時和第一層以一定的間隙隔開，電極層用於在被激勵時相應於被驅動狀態靜電驅動第二層接觸第一層，這些元件至少為兩種不同的類型，其間隙的高度不同；且元件驅動機構包括集成驅動電路，該集成驅動電路具有多級輸出以激勵每個元件的電極層，從而引起該元件從其未被驅動的狀態改變到被驅動狀態。
根據本發明另一個進一步的方面，提供了一種用於製造微機電系統器件的方法，該方法包括製造一個陣列的第一元件，每個第一元件符合第一幾何形狀；製造至少一個陣列的第二元件，每個第二元件符合第二幾何形狀；其中製造該陣列包括基於每個第一和第二元件限定的特徵，選擇每個第一和第二幾何形狀的限定的方面；和規範操作電壓的差別，該操作電壓是操作每種第一和第二元件所必須的，其中這些差別是所選的限定的方面的結果，每個元件限定的特徵保持不變。
圖1表示應用本發明各個方面的普通MEMs器件的簡圖；圖2表示根據本發明的一個實施例，圖1中的MEMs器件中元件的幾何形狀如何可被改變以規範化元件的操作電壓的例子；圖3A表示用於元件被驅動層的不同的幾何形狀，其中所述驅動層具有突起(tabs)；圖3B表示圖3A中的被驅動層的三維視圖，該被驅動層由支撐件支撐；圖3C表示圖3A中的被驅動層，其中的突起具有不同的配置；圖4表示本發明的一個實施例中，在每個元件中的電極配置如何被改變，以實現電壓規範化的例子；圖5表示根據本發明另一個實施例，層的硬度如何被改變以實現電壓規範化的例子，所述層是在每個元件中被驅動的；圖6表示根據本發明一個實施例的IMOD基的顯示陣列簡圖，其中層的厚度被改變以便實現電壓規範化，所述層在每個IMOD中被驅動；圖7表示包括介電疊層的IMOD端面示意圖；以及圖8表示根據本發明一個實施例的驅動器的方框圖。
具體實施例方式
圖1以簡化的方式表示出本發明各方面所涉及的微機電系統(MEMs)器件100的一般的結構。參考圖1，可以看到MEMs器件100包括兩個元件，分別被標為102和104。元件102和元件104每個都有公共的下層或底層(lower or base layer)106。元件102具有上層(upper layer)108，其與底層106被一定數目支柱110形的支撐件隔開。相似地，元件104具有上層112，其與基層106被支柱114形的支撐件隔開。顯然，支柱114比支柱110高，而因此層106和層108之間的間隙116的高度比層112和層106之間的間隙118的高度小。由於間隙116和118的高度的差別，所需的從未被驅動狀態分別靜電地驅動層108和112為被驅動狀態(未示出)的操作電壓是不同的，未被驅動的狀態相應於附圖中圖1所示的狀態，其中層106和112接觸基層116。因此，任何驅動機構必須考慮操作電壓的差別。
如上所述，圖1被表示為應用本發明各個方面的一般MEMs器件簡圖。在實際的實施例中，MEMs器件100可以包括多個陣列，每個陣列包括元件如元件102或108。因此，每個陣列中的元件將要求不同的操作電壓。這樣的MEMs器件的例子被美國專利6040937所描述的IMOD顯示器提供。在這個例子中，有三個陣列，每個包括IMODs形式的元件，IMODs被設計有特定的光學特徵，該光學特徵源自每個IMOD中的空氣間隙的尺寸。每個陣列只包括具有特定光學特徵的IMODs。因此，要求不同的操作電壓以驅動每個陣列中的IMODs。
本發明的實施例考慮了驅動MEMs器件的問題，如上所述，其中MEMs器件要求不同的操作電壓。在本發明說明的具體實施例中，將參考美國專利6040937所述的MEMs器件。然而，應該注意，本發明可應用到任何MEMs器件，包括元件，其中每個元件要求不同的操作電壓以驅動或操作元件，這導致元件幾何形狀構型或狀態被改變。這樣的元件可包括IMODs，開關，紅外(IR)檢波器，等，其中幾何形狀構型的改變包括驅動元件的一個層和另一個層接觸。被驅動的層被稱為被驅動層以和未被驅動層區分開來。
根據本發明的實施例，操作每個元件所要求的操作電壓被規範化。這是通過改變每個陣列中的元件的幾何形狀實現的。自然地，傳遞限定的特徵至元件的元件幾何形狀的方面沒有被改變。因此，在美國專利6040937中的IMOD顯示器的情形中，每個元件(IMOD)中空氣間隙的高度給出了IMOD的限定的光學特徵，且因此IMOD的幾何形狀沒有被改變的一個方面是空氣間隙的高度。
附圖中圖2表示一個例子，其中圖1中所示的元件102的幾何形狀通過增加支柱110的數量和通過減少其間的間隔而被改變。因此，層108更大程度地被支柱110支撐，而因此要求更高的操作電壓驅動層108與層106接觸。通過選擇支柱110的數目和其間的間隔，可以理解所需的驅動元件102和108的操作電壓將被規範化。
在其它實施例中，被驅動層的幾何形狀可以被改變以增加或減少提供於其中的支撐程度。這在附圖3A和3B中作了說明。參考圖3A和3B，顯示了層300，其與圖1和2中的層108和112類似。由於突起302，層300具有不同於層108和112的幾何形狀，突起302形成支撐於支柱304的範圍。因此，突起的厚度和長度可變化以改變對層300的支撐程度。假定驅動層300至附圖的平面上需要一個操作電壓，可以理解圖3A中的突起302比圖3B中的突起302提供了更大程度的支撐。因此，將要求比附圖中圖3A中較小的操作電壓驅動附圖中圖3C中的層300。本發明的實施例使用說明於附圖中圖3A和3C中說明的原理規範化驅動MEMs中元件所要求的操作電壓，其中操作性的上層(被驅動層)被驅動跨過間隙朝向操作性下層。當間隙大時，突起的幾何形狀按照圖3A和圖3B中的所示的原理變化，以減少提供給被驅動層的支撐程度。另一個方面，當間隙小時，支撐件的幾何形狀被改變以提供對被驅動層更大程度的支撐。以這種方式，無論間隙的尺寸如何，通過它，層必將被驅動，所需的驅動層的電壓將被規範化。
雖然沒有在附圖的圖1或2中示出，驅動層108和112的驅動機構包括靜電驅動層108和112向下朝向基層106的電極。電極被置於層106上。一個電極的例子一般在附圖的圖4中用數字400表示。根據本發明的某些實施例，為了規範化驅動或操作MEMs中的元件所需的電壓，電極400的配置可以被改變。改變電極的配置可包括改變電極的形狀，或提供開口於其中，例如，示於電極400中的狹縫402。因此，如果層被跨過小間隙被驅動，電極可以具有狹縫，如狹縫402，其用於減少由電極產生的有效靜電力。這允許操作電壓被規範化而無論層必須被驅動跨過的間隙的高度如何。
根據本發明的其它實施例，改變元件的幾何形狀以規範化操作電壓可包括改變被驅動層硬度。一種改變被驅動層的方式包括改變其楊氏模量。因此被要求被驅動跨過小的空氣間隙的層由具有比被驅動跨過較大空氣間隙的層的楊氏模量較高。
改變被驅動層的另一個方法是形成開口於其上以減小其硬度。如圖5所示，其中層500除了突起502，還有開口或狹縫504形成於其上。
本發明的不同方面可組合應用，因此，在圖5所示的例子中，可看到雖然層500具有形成於其上的狹縫，層本身將被支撐在突起502上，其具有一定的厚度，該厚度被選擇以使其對層500提供一定程度的支撐，以允許所需的操作層500的操作電壓規範化。
附圖中圖6給出IMOD基的顯示器，如美國專利6040937所描述的顯示器的簡化形式600。顯示器600包括三個陣列602，604和606。每個陣列都是在襯底608上製造的，且包括2×4柵格的IMODs。每個IMOD包括上層610，其在使用中被驅動朝向公共下層612跨過間隙。層610是自支撐的，這是由於具有兩個向下延伸的支臂611。每個IMOD具有電極614，其被置於層612上。可以看到，陣列602中的IMODs具有最高的間隙，陣列604中的IMODs具有中間尺寸的間隙，陣列606中的IMODs具有最小的間隙。這是因為陣列602，604和606中的IMODs被製造成具有限定的特徵，當處在未被驅動狀態時，它們中每一個分別反射紅，綠和藍光。因此，驅動層610朝向層612所需的操作電壓將隨著該層必須被驅動的間隙的高度而增加。因此，在陣列602中的IMODs比陣列604或陣列606中的IMODs將要求更大的操作電壓。本發明的一個實施例允許操作電壓通過改變層610的厚度而規範化，層610的厚度和其必須被驅動的間隙的尺寸成反比。因此，在圖6中，層610的厚度被選擇以規範化每個陣列內IMODs所要求的操作電壓。
在本發明的另一個實施例中，操作電壓可以通過隨著間隙的高度增加或減少每個層610的張應力而被規範化，該間隙高度為各層分別必須被驅動增加或減少的間隙高度。這可通過控制膜沉積參數實現，如沉積壓力，功率和偏置電場。
附圖中圖7給出MEMs器件700的實施例，其包括IMOD，該IMOD包括機械層702，其被支撐於支柱704上，支柱形成於襯底706上。置於襯底706上的是電極708，在該電極上形成介電疊層710。機械層702和介電疊層708之間的間隔限定一個空氣間隙。在使用中，操作電壓被施加到驅動層702上以接觸介電疊層710。器件700通常將包括三組IMODs，每個在其空氣間隙的高度上都不同，以在未被驅動的狀態時，分別反射紅，藍和綠光。為了規範化每組IMODs所需的操作電壓，介電疊層710的介電常數被改變，在本發明的一個實施例中，以使空氣間隙越高，介電常數就越大。可替換地，介電疊層的厚度可被改變以使介電疊層的厚度隨著空氣間隙的高度被減小(或被增加)而被增加(或被減少)。
根據本發明的另一個實施例，驅動MEMs器件中不同元件要求不同的操作電壓的問題是通過提供驅動機構，如附圖中圖8所示的驅動機構解決的。參考圖8，驅動機構包括驅動器晶片800，其包括集成的驅動電路，該驅動電路具有多級輸出802，804和806。輸出804到806中的每個輸出傳遞不同的電壓，且可用於一個實施例中以驅動具有不同尺寸的空氣間隙的IMODs，如IMODs808，810，812，當在未被驅動狀態時，其分別反射紅，綠和藍光。該設計和驅動晶片800中元件的集成是公知的，且因此沒有被進一步的說明。
雖然本發明參考具體示例性實施例說明，顯然，可對這些實施例做不同修改和變化而不偏離權利要求中所提出的本發明的更廣闊的精神。因此，說明書和附圖被認為是說明性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種微機電系統器件，其包括多個元件，每個元件具有以堆疊關係布置的至少兩個層，當在未被驅動狀態時，其間有間隙，所述多個元件至少是兩種不同類型的，每種的間隙高度不同；以及驅動多個元件至被驅動狀態的驅動機構，其中每個元件中的一個所述層相對所述另一個層被靜電位移，且其中操作所述驅動機構所需的最小電壓對每種類型的元件基本上是不同的。
2.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中所述多個元件以陣列結構布置，而其中所述多個元件基本上是共面的。
3.如權利要求2所述的微機電系統器件，進一步包括多個所述陣列結構，每個只含一種類型的元件。
4.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中所述可靜電位移的層是自支撐的，包括多個分開布置的支臂，所述支臂支在基底上。
5.如權利要求3所述的微機電系統器件，其中陣列中每個元件的所述層是連續的，所述可靜電位移的層由支撐結構支撐，所述支撐結構包括多個支撐件，所述支撐件沿第一軸線間隔開且在所述第一軸線橫向的方向上延伸，每個支撐件具有支撐表面以當所述元件在所述未被驅動狀態時，支撐所述可靜電位移的層於所述另一個層上。
6.如權利要求5所述的微機電系統器件，其中沿每個陣列中所述第一軸線，在所述支撐件之間的所述間隔依賴於所述層間的所述間隙高度，所述間隙越高，所述間隔越大。
7.如權利要求5所述的微機電系統器件，其中陣列中每個支撐件的所述支撐表面的面積是所述層間的所述間隙的所述高度的函數，所述間隙越高，所述面積越小。
8.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中每個元件的所述可靜電位移的層具有一定的楊氏模量，其為層間隙所述高度的函數，所述間隙越高，所述楊氏模量就越低。
9.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中每個元件的所述可靜電位移層的厚度是其間隙高度的函數，所述間隙越高，所述厚度越小。
10.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中至少那些具有最高間隙的元件的所述可靜電位移層具有形成於其上的開口，以減小其剛度。
11.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中每個元件的所述可靜電位移層處於一定程度的張應力作用下，該張應力隨所述可靜電位移層間隙的所述高度減小而增加。
12.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中所述驅動機構包括電極層，以在被激勵時靜電位移所述可靜電位移層，其中所述電極層具有形成於其上的開口，以提高激勵所述電極層所需的最小電壓，其中所述電極層至少驅動那些具有最小間隙的元件。
13.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中每個元件所述的靜電可位移層形成於介電材料上，該介電材料具有介電常數，該介電常數是該元件的所述間隙的所述高度的函數，所述間隙越高，所述介電常數就越大。
14.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中每個元件的所述可靜電位移層形成於介電材料上，該介電材料具有一定的厚度，該厚度是所述元件的所述間隙的所述高度的函數，所述間隙越高，所述厚度就越小。
15.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中所述最小電壓對每種元件都是相同的。
16.如權利要求1所述的微機電系統器件，其中每個所述元件限定一個幹涉調製器，其調製光。
17.如權利要求16所述的微機電系統器件，其包括三種不同類型的幹涉調製器，每種在其間隙高度上是不同的，以便在未被驅動狀態時，分別反射紅，藍或綠光。
18.一種用於製造微機電系統器件的方法，其包括構造一個元件陣列，每個具有第一層，第二層，該第二層在未被驅動狀態時由間隙從其間間隔開，以及電極層，當被激勵時響應於被驅動狀態，靜電驅動所述第二層與所述第一層接觸，所述元件為至少兩種不同類型，該兩種不同類型的間隙的高度不同，其中所述構造包括改變每種元件類型的配置以補償驅動每種元件到其被驅動狀態所需的電壓差別。
19.如權利要求18所述的方法，其中陣列中每個元件的所述第一和第二層是由連續層限定的，這些連續層是由支撐結構支撐的，該支撐結構包括多個支撐件，該支撐件沿第一軸線間隔開，且在所述第一軸線橫向的方向上延伸，每個支撐件具有支撐表面以在所述元件處在所述未驅動狀態時，在所述第二層上支撐所述第一層，改變每個元件類型的配置，同時包括改變所述支撐件之間的間隔。
20.如權利要求19所述的方法，其中改變每個元件類型的所述配置包括改變每個支撐件的所述支撐表面的面積。
21.如權利要求18所述的方法，其中改變每個元件類型的所述配置包括對每個元件類型的所述第二層使用具有不同楊氏模量的材料。
22.如權利要求18所述的方法，其中改變每個元件類型的配置包括改變每個元件類型的所述第二層的厚度。
23.如權利要求18所述的方法，其中改變每個元件類型的配置包括形成開口於至少那些具有最高間隙的元件的所述第二層上。
24.如權利要求18所述的方法，其中改變每個元件類型的配置包括使每個元件的所述第二層受到一定程度的張應力，該張應力和其間隙的所述高度成反比。
25.如權利要求18所述的方法，其中改變每個元件類型的配置包括形成開口於至少那些具有最小間隙的元件類型的電極層中。
26.如權利要求18所述的方法，其中每個元件的所述第二層形成於介電材料上，改變每個元件類型的配置，同時包括改變所述介電材料的介電常數，每個元件的所述第二層形成於該介電材料上。
27.如權利要求26所述的方法，其中改變每個元件類型的配置包括改變所述介電材料的厚度。
28.如權利要求18所述的方法，其中所述元件是幹涉調製器，其調製光。
29.一種微機電系統器件，其包括多個元件，每個具有第一層，第二層，該第二層在未被驅動狀態時由間隙從其間間隔開，以及電極層，當被激勵時響應於被驅動狀態，靜電驅動所述第二層與所述第一層接觸，所述元件為至少兩種不同類型，每一種的間隙的高度不同；以及元件驅動機構，其包括集成驅動電路，該驅動電路具有多級輸出以激勵每個元件的所述電極層，以使所述元件從其未被驅動狀態改變為被驅動狀態。
30.一種用於製造微機電系統器件的方法，所述方法包括製造第一元件的陣列，每個第一元件符合第一幾何形狀；製造至少一個第二元件陣列，每個第二元件符合第二幾何形狀；其中製造所述陣列包括基於每個所述第一和第二元件的限定特徵，選擇每個所述第一和第二幾何形狀的限定方面；以及規範操作每個所述第一和第二元件所需的操作電壓的差別，其中該差別是所選擇的限定方面的結果，每個所述元件的所述限定特徵沒有被改變。
31.如權利要求30所述的方法，其中所述規範包括改變所述第一和第二幾何形狀的其它方面，而不改變所述限定方面。
32.如權利要求30所述的方法，其中所述限定方面包括每個元件的可操作的上層和下層之間的間隙，該上層和下層用支撐件分開。
33.如權利要求32所述的方法，其中每個元件包括電極，當其被所述操作電壓操作時，向所述下層靜電驅動所述上層。
34.如權利要求33所述的方法，其中改變所述其它方面包括從一組改變中所選的改變，該組改變包括改變所述上層的厚度，以及改變所述支撐件之間的距離。
35.如權利要求31所述的方法，其中所述規範包括改變每個第一和第二元件的所述上層的剛度。
36.如權利要求35所述的方法，其中改變所述剛度包括改變每個第一和第二元件的所述上層的所述楊氏模量。
37.如權利要求35所述的方法，其中改變所述剛度包括形成開口於所述上層以減小此處的剛度。
38.如權利要求33所述的方法，其中所述規範包括改變每個第一或第二元件的所述電極的配置。
39.如權利要求38所述的方法，其中改變所述電極的配置包括形成開口於其上。
40.如權利要求30所述的方法，其中所述元件是形成於介電材料上，所述規範化因而包括改變所述介電材料的所述介電特性。
41.如權利要求30所述的方法，其中所述第一和第二元件是像素。
全文摘要
本發明的一個方面提供了一種用於製造第一元件(108)陣列的方法，每個第一元件符合第一幾何形狀；製造至少一個第二元件(112)陣列，每個第二元件符合第二幾何形狀；其中製造陣列包括基於每個第一和第二元件的限定特徵選擇每個第一和第二幾何形狀的限定方面；以及規範操作每個第一元件(108)和第二元件(112)所需的操作電壓的差別，其中這些差別是所選的限定方面的結果，每個元件的限定特徵保持不變。
文檔編號H02N1/00GK1633616SQ02828352
公開日2005年6月29日 申請日期2002年4月29日 優先權日2002年2月27日
發明者C·徐, M·W·邁爾斯 申請人:銥顯示器公司