具有多重高度的间隔物的显示设备的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本专利申请案主张2012年9月14日申请的题为"具有多重高度的间隔物的 显示设备（DISPLAY APPARATUS WITH MULTI-HEIGHT SPACERS)" 的美国实用申请案第 13/618, 291号的优先权，且所述案已让与给其受让人并据此以引用的方式明确地并入本文 中。
技术领域
[0003] 本发明涉及显示器的领域，且明确地说，涉及微机电系统（MEMS)间隔物结构的制 造和使用。
【背景技术】
[0004] 例如纳米机电系统（NEMS)和微机电系统（MEMS)装置的机电系统（EMS)装置可包 含数百、数千或在一些状况下数百万个移动元件。一些EMS装置经构建以在两个衬底之间 操作。间隔物可用以维持这些衬底之间的最小间隙，同时仍允许一个衬底具有某可挠性。然 而，在基于EMS的显示装置中，此衬底的变形可导致光学缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，所述方面中的任何单一方面 皆不单独负责本文中所揭示的所要属性。
[0006] 本发明中描述的标的的一个创新方面可以一种设备来实施，所述设备具有形成于 第一衬底上的装置阵列。所述设备也包含第二衬底，第二衬底与所述第一衬底隔开，使得装 置的阵列定位于所述第一衬底与所述第二衬底之间。多个间隔物耦合到所述第一衬底以维 持所述第一衬底与所述第二衬底之间的至少一个最小间隙。所述多个间隔物包含第一间隔 物集合和第二间隔物集合。所述第一间隔物集合中的所述间隔物短于所述第二间隔物集合 中的所述间隔物。所述第二间隔物集合中的至少一个间隔物定位于所述第一间隔物集合中 的至少两个间隔物之间。在一些实施方案中，所述第一间隔物集合中的所述间隔物足够高 以防止所述装置与所述第二衬底接触。在一些实施方案中，液体填充所述第一衬底与所述 第二衬底之间的间隙。
[0007] 在一些实施方案中，来自所述第一间隔物集合和所述第二间隔物集合的数个间隔 物群组可经协同定位以形成具有较低间隔物的多个间隔物区和具有较高间隔物的多个间 隔物区。在这些实施方案中的一些中，包含来自所述第二间隔物集合的间隔物的第一间隔 物群组围绕所述第一衬底的周边定位，且包含来自所述第一间隔物集合的间隔物的第二间 隔物群组定位于所述第一衬底的内部区内。包含来自所述第二间隔物集合的间隔物的第三 间隔物群组定位于所述第一衬底的所述内部区内，使得所述第二间隔物群组中的至少一个 间隔物定位于所述第一间隔物群组中的至少一个间隔物与所述第三间隔物群组中的至少 一个间隔物之间。
[0008] 在一些其它实施方案中，包含来自所述第二间隔物集合的间隔物的第一间隔物群 组围绕所述装置的周边定位，且包含来自所述第一间隔物集合的间隔物的第二间隔物群组 定位于所述第一衬底的内部区内。包含来自所述第二间隔物集合的间隔物的多个第三间隔 物群组定位于所述第一衬底的所述内部区内，使得所述第二间隔物群组中的至少一个间隔 物定位于所述第一间隔物群组中的至少一个间隔物与每一相应第三间隔物群组中的至少 一个间隔物之间。
[0009] 在一些实施方案中，所述阵列中的所述装置包含显示元件，且所述设备包含并有 所述显示元件的显示器。在一些实施方案中，所述显示元件为光调制器。在一些实施方案 中，所述显示元件包含机电系统（EMS)光调制器。在一些此类实施方案中，所述EMS光调制 器包含微机电系统（MEMS)快门组合件。
[0010] 在一些实施方案中，所述设备也包含：处理器，其经配置以与所述显示器通信；和 存储器装置，其经配置以与所述处理器通信。所述处理器经配置以处理图像数据。在一些实 施方案中，所述设备也包含：驱动器电路，其经配置以将至少一个信号发送到所述显示器； 和控制器，其经配置以将所述图像数据的至少一部分发送到所述驱动器电路。在一些实施 方案中，所述设备进一步包含图像源模块，其经配置以将所述图像数据发送到所述处理器。 所述图像源模块可包含接收器、收发器和发射器中的至少一者。在一些其它实施方案中，所 述设备包含经配置以接收输入数据和将所述输入数据传达到所述处理器的输入装置。
[0011] 在一些其它实施方案中，所述装置除显示元件外也包括EMS装置。
[0012] 所述间隔物可由金属形成，所述金属囊封远离所述第一衬底延伸的聚合物突起。 在一些实施方案中，所述间隔物由导电材料囊封。在一些实施方案中，所述导电间隔物将所 述装置中的每一者的至少一部分电连接到形成于所述第二衬底上的导电元件。
[0013] 在一些实施方案中，所述第一间隔物集合可包含两个聚合物层，且所述第二间隔 物集合可包含三个聚合物层。在一些其它实施方案中，所述第一间隔物集合包含具有第一 高度的第一聚合物层和具有第二高度的第二聚合物层，且所述第二间隔物集合包含具有所 述第一高度的第一聚合物层和具有大于所述第二高度的第三高度的第二聚合物层。
[0014] 本发明中所描述的标的的另一创新方面可以一种形成多个间隔物的方法加以实 施。所述方法包含：在衬底上形成装置阵列；在所述衬底上形成第一间隔物集合；和在所述 衬底上形成第二间隔物集合。所述第一间隔物集合中的所述间隔物中的每一者具有第一 高度，且所述第二间隔物集合中的所述间隔物中的每一者具有高于所述第一高度的第二高 度。所述第二间隔物集合中的至少一个间隔物形成于所述第一间隔物集合中的至少两个间 隔物之间。
[0015] 在一些实施方案中，形成所述第一间隔物集合和所述第二间隔物集合包含用灰度 掩模图案化聚合物材料层，使得为形成所述第一间隔物集合的一部分而保留的所述聚合物 材料的一部分小于针对所述第二间隔物集合而保留的一部分。在一些其它实施方案中，形 成所述第一间隔物集合和所述第二间隔物集合包含在所述衬底上沉积至少两个间隔物材 料层且图案化所述间隔物材料的至少两个层，使得所述第二间隔物集合中的间隔物相较于 所述第一间隔物集合中的所述间隔物包含来自较大数目个间隔物材料层的材料。在一些实 施方案中，形成所述第一间隔物集合和所述第二间隔物集合包含将多个聚合物突起囊封于 金属和半导体中的至少一者中。在一些其它实施方案中，形成所述第一间隔物集合和所述 第二间隔物集合包含将多个聚合物突起囊封于导电材料中。
[0016] 本发明中所描述的标的的另一创新方面可以一种显示设备加以实施。所述显示设 备包含：用于输出多个图像像素的图像形成装置阵列；多个第一隔开装置，其用于在所述 图像形成装置与对置衬底之间维持至少第一距离；和多个第二隔开装置，其用于在所述图 像形成装置与所述对置衬底之间维持至少第二距离。所述第二距离大于所述第一距离。所 述第一隔开装置中的至少一者定位于至少两个第二隔开装置之间。在一些实施方案中，所 述第一隔开装置和所述第二隔开装置中的至少一者包含用于将所述图像形成装置中的至 少一部分维持于与形成于所述对置衬底上的组件共同的电位的装置。
[0017] 在一些实施方案中，所述图像形成装置包含用于调制由背光输出的光的装置。在 一些其它实施方案中，图像形成装置包含用于选择性地发出光的装置。
[0018] 本说明书中所描述的标的的一或多个实施的细节在随附图式和以下描述中予以 阐述。尽管本
【发明内容】
中提供的实例主要依据基于MEMS的显示器来描述，但本文中提供 的概念可适用于例如液晶（LCD)显示器、有机发光二极管（OLED)显示器、电泳显示器和场 发射显示器的其它类型的显示器以及例如MEMS麦克风、传感器和光学开关的其它非显示 MEMS装置。其它特征、方面和优点将从所述描述、所述图式和权利要求书而变得显而易见。 应注意，以下诸图的相对尺寸可能未按比例绘制。
【附图说明】
[0019] 图IA展示直视的基于微机电系统（MEMS)的显示设备的实例示意图。
[0020] 图IB展示主机装置的实例框图。
[0021] 图2A展示说明性基于快门的光调制器的实例透视图。
[0022] 图2B展示基于滚动致动器快门的光调制器的横截面图。
[0023] 图2C展示说明性非基于快门的MEMS光调制器的横截面图。
[0024] 图2D展示基于电润湿的光调制阵列的横截面图。
[0025] 图3A展示控制矩阵的实例示意图。
[0026] 图3B展示连接到图3A的控制矩阵的基于快门的光调制器的阵列的透视图。
[0027] 图4A和4B展示双致动器快门组合件的实例视图。
[0028] 图5展示并有基于快门的光调制器的显示设备的实例横截面图。
[0029] 图6展示用于显示器的MEMS向下配置中的光调制器衬底和孔隙板的横截面图。
[0030] 图7展示用于在衬底上同时制造间隔物和锚从而用于显示设备中的制造过程的 流程图。
[0031] 图8A到8G展示使用图7的制造过程的实例间隔物和锚组合件的构建的阶段的横 截面图。
[0032] 图9展示锚和快门组合件的替代配置的实例横截面图。
[0033] 图10展示锚和快门组合件的另一替代配置的实例横截面图。
[0034] 图IlA和IlB展示两个锚和快门组合件的实例横截面图。
[0035] 图12展示通过单一制造过程形成于衬底上的锚和单独间隔物的实例横截面图。
[0036] 图13为显示设备的横截面图。
[0037] 图14A和14B展示显示设备在两个环境温度下的横截面。
[0038] 图15A和15B展不显不设备在两个环境温度下的横截面。
[0039] 图16A到16D展示具有变化的组件高度的间隔物对的实例布置。
[0040] 图17展示显示设备的一部分。
[0041] 图18展示形成多个间隔物的方法的流程图。
[0042] 图19A到19G展示用于制造显示器组合件中的多重高度间隔物组件的过程的各个 阶段。
[0043] 图20A到20E展示用于制造显示器组合件中的多重高度间隔物组件的替代性过程 的各个阶段。
[0044] 图21展示具有导电间隔物的显示设备的一部分。
[0045] 图22A和22B为说明包含多个显示元件的显示装置的系统框图。
[0046] 各图式中相同参考数字和名称均指示相同元件。
【具体实施方式】
[0047] 本发明涉及用于显示设备中的机电系统（EMS)间隔物结构的制造。更特定来说， 本发明涉及多重高度EMS间隔物和导电间隔物。间隔物可为纳米机电系统（NEMS)、微机电 系统（MEMS)或更大尺度的间隔物。间隔物使显示设备中的对置衬底保持彼此远离至少预 定距离。在一些实施方案中，本文中所揭示的间隔物可经制造作为用以制造包含于显示设 备中的EMS光调制器的相同制造过程的部分。在一些其它实施方案中，本文中所揭示的EMS 间隔物经配置以维持其它形式的显示器（例如，液晶（LCD)显示器、有机发光二极管（OLED) 显示器、电泳显示器和场发射显示器）中的衬底之间以及衬底到其它非显示EMS装置（例 如，EMS麦克风、传感器和光学开关）的间隙。
[0048] 在一些实施方案中，多重高度间隔物由囊封于用以形成EMS光调制器的结构材料 中的两个或两个以上图案化聚合物材料层制造。在一些实施方案中，间隔物中的一些相较 于包含额外聚合物材料层的间隔物而包含较少聚合物材料层且因此为较短的。在一些其它 实施方案中，用以形成多重高度间隔物的聚合物层中的至少一者使用半色调或灰度掩模来 图案化，从而导致所述聚合物层中的间隔物部分具有不同高度。
[0049] 在一些实施方案中，多重高度间隔物构成多组件间隔物集合的部分。例如，多重高 度间隔物形成较低间隔物组件，且从对置衬底延伸的对置间隔物形成上部间隔物组件。在 一些其它实施方案中，多重高度间隔物形成上部间隔物组件，且从对置衬底延伸的对置间 隔物形成较低间隔物组件。
[0050] 在一些实施方案中，较短多重高度间隔物集合布置于显示设备内部，且较高多重 高度间隔物集合布置于显示器的周边处。在一些实施方案中，较高间隔物群组位于显示器 内部的一或多个位置中以及周边处。这些较高间隔物的群组由较短间隔物的至少一群组分 离。在一些实施方案中，较高间隔物经配置以充当流体障壁以防止流体流或通过流体的压 力波损害定位于流体障壁后方的光调制器。
[0051] 在一些实施方案中，用以囊封间隔物的结构材料为导电的。这些导电间隔物的近 端电耦合到支撑对应EMS显示元件（例如，EMS光调制器）的锚。间隔物的远端电耦合到沉 积于对置衬底上的导电表面，以通过导电表面将EMS显示元件的可移动部分（例如，快门） 维持于共同电位。
[0052] 可实施本发明中所描述的标的的特定实施方案以实现下列潜在优点中的一或多 者。密封于液体中的显示设备衬底可在变化的环境操作温度下变形达各种程度。此类变形 可有助于防止气泡的形成。然而，广泛局部化变形可导致非所要图像伪影。这些伪影可通 过在衬底的表面上分布衬底的变形来减轻，从而导致增加数目个较不易检测到的变形。多 重高度间隔物在EMS显示设备中的并入允许显示设备上的不同程度的变形。
[0053] 通过使用用于构建显示器的显示元件的相同制造步骤来制造多重高度间隔物，间 隔物可用很少额外处理步骤或无额外处理步骤来产生，从而降低添加特征的成本。这些过 程产生坚固耐用的间隔物，所述间隔物可至少维持对置显示衬底之间的预定间隙。
[0054] 导电间隔物产生能够减小或消除显示元件的移动部分与沉积于对置衬底上的导 电材料之间的任何电压差的添加益处。减小此电压差减轻了可移动组件朝向对置衬底吸引 且可能永久地粘附到对置衬底的风险。
[0055] 图IA展示直视的基于MEMS的显示设备100的示意图。显示设备100包含布置成 行和列的多个光调制器l〇2a到102d(通常"光调制器102"）。在显示设备100中，光调制 器102a和102d处于开启状态，从而允许光通过。光调制器102b和102c处于关闭状态，从 而阻碍光通过。通过选择性地设定光调制器102a到102d的状态，显示设备100可用以在 由灯105照明的情况下形成背光显示器的图像104。在另一实施方案中，设备100可通过发 源于设备前方的环境光的反射而形成图像。在另一实施方案中，设备100可通过来自定位 于显示器前方的灯的光的反射（即，通过使用正面光）而形成图像。
[0056] 在一些实施方案中，每一光调制器102对应于图像104中的像素106。在一些其 它实施方案中，显示设备100可利用多个光调制器来形成图像104中的像素106。例如，显 示设备100可包含三个颜色特定的光调制器102。通过选择性地打开对应于特定像素106 的颜色特定光调制器102中的一或多者，显示设备100可产生图像104中的彩色像素106。 在另一实例中，显示设备100每像素106包含两个或两个以上光调制器102以提供图像104 中的亮度等级。关于图像，"像素"对应于由图像的分辨率定义的最小图片元素。关于显示 设备100的结构组件，术语"像素"指用以调制形成图像的单一像素的光的经组合的机械和 电组件。
[0057] 显示设备100为直视显示器，这是因为其可不包含通常在投影应用中找到的成像 光学装置。在投影显示器中，形成于显示设备的表面上的图像投影到屏幕上或墙壁上。显 示设备实质上小于经投影的图像。在直视显示器中，用户通过直接查看显示设备而看到图 像，所述显示设备含有光调制器且视需要用于增强在显示器上看到的亮度和/或对比度的 背光或正面光。
[0058] 直视显示器可以透射或反射模式操作。在透射显示器中，光调制器过滤或选择性 地阻挡发源于灯的光，所述（等）灯定位于显示器后方。来自灯的光视需要注入到光导或 "背光"中，使得每一像素可经均匀照明。透射直视显示器常常建置于透明或玻璃衬底上以 促进夹层组合件布置，在所述夹层组合件布置中含有光调制器的一个衬底直接定位于背光 的顶部上。
[0059] 每一光调制器102可包含快门108和孔隙109。为了照明图像104中的像素106， 快门108经定位而使得其允许光朝向检视器通过孔隙109。为了保持像素106不被照亮，快 门108经定位而使得其阻碍光通过孔隙109。孔隙109通过经由每一光调制器102中的反 射或吸光材料而图案化的开口来界定。
[0060] 显示设备也包含连接到衬底且到光调制器的控制矩阵从而控制快门的移动。控制 矩阵包含一系列电互连件（例如，互连件110U12和114)，所述系列电互连件包含每行像 素的至少一个写入允用互连件11〇(也被称作"扫描线互连件"）、每列像素的一个数据互连 件112,和将通用电压提供到所有像素或至少提供到来自显示设备100中的多个列和多个 行两者的数个像素的一个通用互连件114。响应于施加适当电压（"写入允用电压，V m"）， 针对给定行像素的写入允用互连件110使行中的像素做好准备以接受新的快门移动指令。 数据互连件112传达呈数据电压脉冲的形式的新移动指令。在一些实施方案中，施加到数 据互连件112的数据电压脉冲直接有助于快门的静电移动。在一些其它实施方案中，数据 电压脉冲控制开关（例如，晶体管）或其它非线性电路元件控制单独致动电压到光调制器 102的施加，所述单独致动电压在量值上通常高于数据电压。这些致动电压的施加接着导致 快门108的静电驱动移动。
[0061] 图IB展示主机装置120(即，移动电话、智能型电话、PDA、MP3播放器、平板计算机、 电子阅读器等）的框图的实例。主机装置120包含显示设备128、主机处理器122、环境传 感器124、用户输入模块126和电源。