技术领域

本发明涉及微机械机电系统（MEMS )领域，特别涉及一种基于 MEMS 技术的光路切换开关以及使用所述光路切换开 关实现图像显示的 MEMS 显不器。 背景技术

液晶电视以及其他平板显示器， 已经成为社会生活中常见的电子 消费产品。 如何进一步的减小平板显示器的尺寸， 减薄其面板厚度， 是平板显示器的发展方向之一。 由于液晶显示装置的光源必须设置于 面板的背面或嵌入于面板中， 才能获得较好的亮度以及灰度的均匀性， 因此上述光源的设置对减薄面板的厚度带来了 较大的困难。

采用机械结构的光路切换开关制作平板显示器 是液晶显示器的可 供选择的替代方案。机械的光路切换开关能够 快速地路由光源的光束， 使其在所需的像素区域显示， 从而获得良好的视角和大范围的色彩、 灰度显示图像内容。 所述光源可以独立于像素阵列区， 而设置于面板 的任意位置， 因而有利于缩小显示器的面板厚度。 更多关于利用机械 结构的光路切换开关， 制作 MEMS显示器的内容可以参见专利号为 US2006006448的美国专利。

虽然采用 MEMS技术的光路切换开关在投影显示应用中已� �得成 功， 然而在平板显示装置中缺乏实质性的突破。 制作灵敏可靠的光路 切换开关， 并将其应用至 MEMS显示器中， 成为 MEMS显示器的主要研究 方向。 发明内容

本发明解决的问题是提供一种应用光路切换开 关的 MEMS显示器， 具有控制机构简单， 易于生产制造的特点。

本发明提供的一种 MEMS显示器。 包括相互独立的像素阵列区以及 光源， 所述像素阵列区包括阵列排布的像素单元， 所述光源产生的光 束入射像素阵列区后， 经过多级光路切换开关路由， 从像素单元中出 射成像。

所述光路切换开关， 包括一个输入光路、 两个输出光路和光路转 换元件， 所述光路转换元件将光束选择性地从输入光路 路由至其中一 个输出光路， 所述光路转换元件包括：

半导体衬底及其表面的层间介质层； 位于层间介质层内的空腔， 所述空腔的一端连接输入光路， 另一端由隔离层间隔成上空腔以及下 空腔， 所述上空腔以及下空腔分别连接两个输出光路 ； 位于所述空腔 内的弹性导光片， 所述弹性导光片为反光材料， 包括连接于所述隔离 层的固定端以及朝向输入光路悬置于空腔内的 自由端； 所述自由端受 到施加于空腔内的力场影响在空腔顶部至空腔 底部间移动。

所述光路转换元件还包括分别位于空腔顶部以 及底部的上诱导 板、 下诱导板， 通过对所述上诱导板以及下诱导板通电， 在空腔内形 成垂直于光路传输路径的力场； 所述弹性导光片的自由端位于所述力 场中。

可选的， 所述上诱导板以及下诱导板位于空腔腔壁上或 作为空腔 腔壁的一部分， 且所述上诱导板以及下诱导板与空腔腔壁的其 余部分 绝缘隔离。

可选的， 所述上诱导板以及下诱导板位于空腔外部的层 间介质层 内， 且通过层间介质层与空腔腔壁相间隔。

可选的， 所述空腔腔壁的内表面涂覆有反射涂层。

可选的， 所述弹性导光片的自由端宽度大于固定端宽度 。 所述空 腔的截面为矩形， 且截面宽度沿弹性导光片的自由端向固定端方 向逐 渐递减， 保持空腔侧壁与弹性导光片的间隙大小一致。

可选的， 所述上空腔以及下空腔内填充有透光介质。

可选的， 所述像素阵列区包括行光路切换开关、 列光路切换开关 以及控制上述光路切换开关的薄膜晶体管； 所述入射光束先经由列光 路切换开关路由， 再经由行光路切换开关路由， 从像素单元中出射。

可选的， 所述 MEMS显示器的光源类型为三色光源， 包括 RGB三原色 光或 CMY三原色光。 可选的， 所述像素阵列区包括一条入射光路， 所述三原色光分时 输入， 并经由多级光路切换开关路由， 从像素单元中出射。

可选的， 所述像素阵列区包括第一子像素列、 第二子像素列以及 第三子像素列， 上述三条子像素列周期重复排列； 所述各第一子像素 列具有第一入射光路， 所述各第二子像素列具有第二入射光路， 所述 各第三子像素列具有第三入射光路； 所述三原色光分别从上述三条入 射光路入射， 并经由多级光路切换开关路由， 从相应子像素列的像素 单元中出射。

可选的， 所述光源类型为偏振 3D光， 包括 P偏振光以及 S偏振光。 可选的， 所述像素阵列区包括交替设置的第一偏振像素 列、 第二 偏振像素列； 所述各第一偏振像素列具有第一偏振入射光路 ， 所述各 第二偏振像素列具有第二偏振入射光路； 所述 P偏振光以及 S偏振光分 别对应从上述两条偏振入射光路入射， 并经由多级光路切换开关路由， 从相应偏振像素列的像素单元中出射。

可选的， 所述光源类型为白光。 可选的， 所述像素阵列区包括阵 列排布的第一子像素单元、 第二子像素单元以及第三子像素单元， 所 述不同种类的子像素单元具有不同颜色的彩膜 ； ； 所述像素阵列区包 括一条入射光路， 所述白光从上述入射光路入射， 并经由多级光路切 换开关路由， 从子像素单元中透过所述彩膜出射。 所述彩膜形成于像 素阵列区表面， 且覆盖各子像素单元所对应的行光路切换开关 的输出 光路。

可选的， 所述像素阵列区中， 第一子像素单元、 第二子像素单元 以及第三子像素单元呈周期性排列， 且同种类子像素单元不相邻。

可选的， 所述彩膜的颜色种类包括 RGB三原色或 CMY三原色。

本发明所述 MEMS显示器采用二选一的光路切换开关作为光� �的路 由节点， 并采用多级路由的方式实现像素的显示， 具有响应灵敏， 成 像快速的特点。 所述光路切换开关结构简单， 控制方便， 易于生产制 造。 附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具 体说明， 本发明的 上述及其他目的、 特征和优势将更加清晰。 附图中与现有技术相同的 部件使用了相同的附图标记。 附图并未按比例绘制， 重点在于示出本 发明的主旨。 在附图中为清楚起见， 放大了层和区域的尺寸。

图 1是本发明所述光路切换开关的结构示意图；

具体实施方式 图 1 是本发明所述光路切换开关的结构示意图。 所述光路切换开 关包括一个输入光路 100、 输出光路 201、 输出光路 202和光路转换元 件 300，所述光路转换元件 300将光束选择性地从输入光路 100路由至 其中一个输出光路， 即所述光路切换开关 300仅有两种路由状态。

图 2是图 1中沿 A-A' 剖线的剖面示意图， 如图 2所示，所述光路 转换元件 300 包括： 半导体衬底 301 及其表面的层间介质层 307 ( Inter-level dielectric , ILD);位于层间介质层 307内的空腔 302， 所述空腔 302的一端连接输入光路 100，另一端由隔离层 303间隔成上 空腔 304以及下空腔 305，所述上空腔 304以及下空腔 305分别连接两 个输出光路； 弹性导光片 306，所述弹性导光片 306包括连接于所述隔 离层 303的固定端以及朝向输入光路 100悬置于空腔内的自由端。 所 述自由端可以受到施加于空腔 302 内的力场影响下， 在空腔 302的顶 部至底部之间移动， 使得弹性导光片 306弯曲。 为形成上述使得弹性导光片 306弯曲的力场， 本实施例所述光路 转换元件 300还包括分别位于空腔顶部以及底部的上诱导 板 308、下诱 导板 309。 通过向上诱导板 308 以及下诱导板 309通电， 即可在空腔 302内形成垂直于光路传输路径的力场，且使得 所述自由端位于该力场 中。 所述上诱导板 308以及下诱导板 309， 材质可以为金属， 例如铜、 铝、 钨等； 可以设置于空腔腔壁上或直接作为腔壁的一部 分， 也可以 设置于空腔外部的层间介质层 307内。 作为一个可选实施例， 所述光路切换开关在工作时， 向所述上诱 导板 308以及下诱导板 309通电， 在空腔 302中形成电场； 然后通过 连接电极向弹性导光片 306注入电荷， 根据电荷的尖端聚集效应， 所 述弹性导光片 306的自由端将聚集电荷， 并在空腔 302内电场的影响 下向空腔 302顶部或底部移动， 以控制弹性导光片 306的弯曲方向以 及弯曲程度。 作为另一个可选实施例， 还可以采用磁性材料制作弹性 导光片 306， 而通过向上诱导板 308、 下诱导板 309通电， 在空腔内形 成电磁场， 以控制弹性导光片 306 的弯曲方向以及弯曲程度。 此外， 如果所述上诱导板 308以及下诱导板 309设置于空腔腔壁上或作为空 腔腔壁的一部分， 则需要将该段空腔腔壁与空腔腔壁的其余部分 绝缘 隔离， 以防止上诱导板 308以及下诱导板 309通过空腔腔壁短路或者 漏电。

进一步的， 所述弹性导光片 306为片状体， 因此其弹性弯曲存在 方向性， 为了使得弹性导光片 306的弯曲方向与上诱导板 308以及下 诱导板 309的位置相吻合，且弯曲后能够封闭上空腔 304或下空腔 305 的截面， 需使得弹性导光片 306的弹性面垂直于上诱导板 308与下诱 导板 309之间的投影面。 需要说明的是， 在微机电系统中， 上述光路转换元件 300 的结构 与半导体工艺相兼容， 上述上诱导板 308、下诱导板 309以及弹性导光 片 306均需连接电极。 作为可选方案， 所述弹性导光片 306的固定端 可以自隔离层延伸至层间介质层 307 内， 以便形成接触孔连接电极。 本实施例， 虽未示出上述具体的金属互连结构， 但作为公知技术， 本 领域技术人员应当可以根据金属互连的需要， 进行接触孔的制作， 此 处不再赘述。

所述半导体衬底 301为硅衬底或者绝缘体上硅 S0I。所述空腔 302 形成于半导体衬底 301表面的层间介质层 307内，所述层间介质层 307 用于绝缘隔离空腔 302， 其材质可以为二氧化硅、 氮化硅等。

所述空腔 302 的内表面须能够反射光束， 作为一种可选方案， 可 以在空腔 302 的内表面形成反射涂层， 作为另一种可选方案， 所述空 腔腔壁可以采用高反射率的金属材质， 例如铝、 钛、 锌、 银等金属或 其组合。 本实施例中， 为降低成本， 且与半导体制造工艺相兼容， 所 述空腔腔壁采用铝材质。

所述弹性导光片 306须能够反射光束且能够在空腔内弯曲， 作为 可选方案， 可以采用高反射率的金属材质， 例如铝、 钛、 锌、 银等金 属或其组合。 进一步的， 为了改善弹性导光片 306在使用过程中， 因 频繁弯曲而导致的金属疲劳现象， 可以在弹性导光片 306 的表面形成 一薄层的氧化硅或氮化硅镀膜， 以提高弹性导光片 306表面的张力。 本实施例中， 同样为了降低成本， 且与半导体制造工艺相兼容， 所述 弹性导光片 306采用铝材质， 表面镀有一层氮化硅薄膜。 此外， 由于 铝为导电金属， 为避免弹性导光片 306 的自由端移动至空腔顶部或底 部时， 与上诱导板 308或下诱导板 309相接触导致接触短路， 将所述 上诱导板 308以及下诱导板 309设置于空腔外部的层间介质层 307内， 且通过层间介质层 307与空腔腔壁相间隔。

根据前述原理， 弹性导光片 306 的自由端须能够移动至空腔 302 的顶部或者底部， 使得弹性导管片 306弯曲， 阻止从输入光路射入空 腔的光束进入上空腔 304或者下空腔 305。为提高弹性导光片 306的弯 曲能力， 可以使得弹性导光片 306的自由端宽度大于固定端宽度。 图 3 是图 1中沿 B-B ' 剖线的剖面示意图， 如图 3所示， 为简化制造工艺， 所述空腔 302 的截面可以选择为矩形； 另一方面， 为降低弹性导光片 306 弯曲后， 与空腔腔壁之间的间隙处漏光， 所述空腔的截面宽度 D 沿弹性导光片 306 自由端向固定端的方向逐渐递减， 保持弹性导光片 306与空腔腔壁之间的间隙大小一致。除上述优 选实施例， 所述空腔截 面的形状还可以是椭型、 梯形等， 仅需满足弹性导光片 306能够在空 腔 302内自由弯曲， 并阻止光束进入上空腔 304或下空腔 305的光路 即可。

再如图 2所示， 由于弹性导光片 306的固定端连接于隔离层 303， 为支撑隔离层 303以避免弹性导光片 306的纵向偏移， 作为可选方案， 所述上空腔 304以及下空腔 305内还可以填充有透光介质， 例如包含 二氧化硅成分的石英、 玻璃等。

图 4是图 1中沿 C-C ' 剖线的剖面示意图，结合图 1以及图 4所示， 作为可选方案， 本实施例中， 所述上空腔 308以及下空腔 309， 靠近弹 性导光片 306的一端沿 A-A' 剖线（即沿图 2中的垂直方向）构成堆叠， 而远离弹性导光片的一端则延伸分离， 并分别连接输出光路 201 以及 输出光路 202。 图 5为本发明所述光路切换开关的工作状态示意� �，下面结合图 5 介绍本发明所述光路切换开关的工作机制。 当需要使得光束从输入光路 100进入空腔 302， 并经由上空腔 304 从输出光路 201输出。 首先向上诱导板 308以及下诱导板 309通电， 将上诱导板 308接电源的负端， 而下诱导板 309接电源的正端， 此时 便在空腔 302内形成自下而上的电场。所述电场的强度由 上诱导板 308 以及下诱导板 309之间的电势差决定。 然后向弹性导光片 306中注入 电子， 所述电子将在弹性导光片 306 的自由端聚集， 所述自由端受到 电场力作用， 向下诱导板 309移动。 只需在空腔 302内形成足够大的 电场强度， 克服弹性导光片 306 的自身弹力作用， 使弹性导光片 306 的自由端与空腔 302的底部接触。 此时从空腔 302的截面方向看， 下 空腔 305被弹性导光片 306所封闭。 当光束从输入光路 100进入空腔 302时， 在空腔 302的内表面以及弹性导光片 306的表面多次反射， 最 终仅能通过上空腔 304射出， 被选择性路由至输出光路 201。 反之， 当需要使得光束从输入光路 100进入空腔 302， 并经由下空 腔 305从输出光路 202输出时， 仅需要在通电时反接上诱导板 308以 及下诱导板 309， 在空腔 302内形成反向的电场， 使得弹性导光片 306 的自由端向上诱导板 308移动， 直至与空腔 302的顶部接触， 从而封 闭上空腔 304的截面。 所述光束即仅能通过下空腔 305射出， 而被选 择性路由至输出光路 202。

上述光路切换开关作为二选一的开关结构， 实现了从一条输入光 路到两条输出光路的选择性路由， 但在路由器中， 通常需要具有多路 输入多路输出的能力， 因此可以将多级的上述光路切换开关串接使用 ， 实现对光束的路由。

基于上述光路切换开关， 本发明还提供了一种 MEMS显示器， 包括 相互独立的像素阵列区以及光源， 所述像素阵列区包括阵列排布的像 素单元， 所述光源产生的光束入射像素阵列区后， 经过多级光路切换 开关路由， 从像素单元中出射成像。

所述像素阵列区包括行光路切换开关、 列光路切换开关以及控制 上述光路切换开关的薄膜晶体管。 具体的， 可以将各行光路切换开关、 列光路切换开关中的一块诱导板接地， 而将另一块诱导板通过所述薄 膜晶体管与电源连接， 通过控制所述薄膜晶体管的导通或关闭， 在光 路切换开关内形成驱动弹性导光片弯曲的电场 ， 进而控制所述光路切 换开关对光路的切换。

所述入射光束先经由列光路切换开关路由， 进入某一行像素单元， 再经由行光路切换开关路由， 从该行某列像素单元中出射。 上述方法 类似于液晶显示器中， 通过行扫描线以及列数据线选中像素单元进行 成像显示的机制。

根据光源类型的不同， 所述 MEMS显示器的工作机制也不尽相同， 下面结合具体的实施例， 对本发明所述 MEMS显示器作进一步介绍。

第一实施例

本发明第一实施例的 MEMS显示器， 所述光源采用三原色光源， 例 如 RGB三元色 （红、 绿、 蓝三色） 光源或 CMY三原色 （青、 品红、 黄 三色）光源。 图 6为所述第一实施例的 MEMS显示器示意图， 包括像素 阵列区 I以及光源 Π , 所述像素阵列区 I仅示意出 4x3阵列的像素单 元。

如图 6所示， 本实施例的 MEMS显示器， 仅包括一条输入光路 L, 当光束从所述输入光路 L入射像素阵列区 I，首先需要经过列光路切换 开关。 其中， 每列像素单元对应一个列光路切换开关。 而光束经过路 由进入某列像素单元后， 便需要依次经过行光路切换开关， 从而从相 应的像素单元出射。 其中各个像素单元对应一个行光路切换开关。

图 7是图 6中沿 D-D' 剖线的剖面示意图，示出了行光路切换开关 的剖面示意图， 在所述行光路切换开关中， 两条输出光路相互垂直， 其中垂直于像素阵列区， 也即垂直于 MEMS显示器面板的输出光路 02 作为光束从该像素单元的出射方向， 而另一条输出光路 01则连接至下 一个行光路切换单元的输入光路中。

此外， 当所述光路切换开关中的弹性导光片未弯曲时 ， 所述光路 切换开关不能起到路由的作用， 光束将同时从所述光路切换开关的两 条输出光路分流输出， 从而起到光束的一分二功能。 例如当光束入射 像素阵列首先到达列光路切换开关 K1 , 如果其弹性导光片保持原位不 进行导光， 光束分成继续沿着输入光路 L传输至下一个列光路切换开 关 K2的分支以及进入第一列像素单元的分支。上� ��一分二机制的目的 在于， 在一次光束入射过程中， 同时实现多个像素单元的成像显示。

根据上述原理， 如果在 MEMS显示器工作时， 需要使得某一像素单 元进行成像显示， 仅需控制相应的列光路切换开关以及行光路切 换开 关， 对入射光束进行路由， 使得所述光束从该像素单元出射即可。

本实施例的 MEMS显示器中， 所述三原色光源的三种原色光可以采 用分时输入， 所述分时输入的间隔时间可以小于人眼的视觉 暂留时间。 当人眼观察所述 MEMS显示器时，可以形成多个像素显示相叠加� �图像， 而不同光强的原色光相叠加， 在视觉上便能形成不同色彩， 从而使得 本实施例的 MEMS显示器显示出彩色的图形。

第二实施例

上述实施例中， 虽然 MEMS显示器的光源可以利用人眼的视觉暂留 时间， 分时输入三原色光， 简化了显示器的光路结构。 但应用范围有 限， 在高速图像动态显示时存在局限性。

图 8为本发明第二实施例的 MEMS显示器示意图， 包括像素阵列区 I以及光源 Π , 所述像素阵列区 I仅示意出 4x3阵列的像素单元。 所 述光源采用 RGB或 CMY三原色光源。

结合图 8以及图 6所示， 本实施例与第一实施例的区别在于所述 像素阵列区 I具有三条输入光路， 包括第一入射光路 Ll、 第二入射光 路 L2以及第三入射光路 L3 , 分别用于输入三种原色光。

相应的， 所述像素阵列区内的像素单元分为第一子像素 列 Cl、 第 二子像素列 C2以及第三子像素列 C3。上述三种子像素列在像素阵列区 内呈周期性排列。 上述设置使得， 一种子像素列内的像素单元仅能出 射一种原色光， 而相邻三种子像素列的三个像素单元可以视为 一个像 素组。

所述光源的三原色光可以互不干扰的同时从三 条入射光路入射， 并各自经由多级光路切换开关路由， 从相应子像素列的像素单元中出 射。 具体的路由过程与第一实施例相似。

同一个像素组内， 三个像素单元出射的不同种类原色光的光强大 小不同， 便能够在视觉上形成不同色彩， 从而使得本发明所述 MEMS显 示器显示出彩色的图形。

第三实施例

本发明所述的 MEMS显示器还可以应用于 3D图像的显示。

图 9为本发明第三实施例的 MEMS显示器示意图， 包括像素阵列区 I以及光源 Π , 所述像素阵列区 I仅示意出 4x3阵列的像素单元。 所 述光源为 3D偏振光。 具体的， 所述 3D偏振光包括 P偏振光以及 S偏 振光。

结合图 9以及图 8所示， 本实施例与第二实施例的区别仅在于输 入光路的数量。 具体的， 所述像素阵列区具有两条输入光路， 包括第 一偏振入射光路 Jl、 第二偏振入射光路 J2， 分别用于输入上述 P偏振 光以及 S偏振光。

相应的， 所述像素阵列区内的像素单元分为第一偏振像 素列 D1以 及第二偏振像素列 D2。 上述两种偏振像素列在像素阵列区内呈周期性 排列， 也即交替排列。 上述设置使得， 一种偏振像素列内的像素单元 仅能出射一种偏振光， 而相邻两种偏振像素列的两个像素单元可以视 为一个像素组。

所述光源的三原色光可以互不干扰的同时从三 条入射光路入射， 并各自经由多级光路切换开关路由， 从相应子像素列的像素单元中出 射。 具体的路由过程与第一实施例相似。

同一个像素组内， 两个像素单元出射的不同种类的偏振光， 能够 在视觉上形成 3D图形， 从而使得本发明所述 MEMS显示器能够进行三 维立体显示。

第四实施例

以上实施例中， 光源均较为复杂， 需要分别提供相应的原色光或 偏振光。 为了简化光源， 可以在像素单元的光束出射路径上设置彩膜， 从而产生不同颜色的出射光束。 所述像素阵列区 I仅示意出 4x3阵列 的像素单元。 所述光源可以为白光光源。

结合图 10与图 6所示， 本实施例与第一实施例的区别在于， 光源 II产生单一白光光束，而像素阵列区中的像素� ��元具有不同颜色彩膜。 所述彩膜可以为覆盖于像素单元表面的有机薄 膜或无机薄膜层。

具体的， 所述像素阵列区仅具有一条输入光路 J, 所述白光从输入 光路 J入射后， 经由多级光路切换开关路由， 从像素单元中透过所述 彩膜出射。

所述彩膜颜色的种类可以包括 RGB三原色或 CMY三原色。 根据彩 膜的颜色， 所述像素单元分为第一子像素单元 El、 第二子像素单元 E2 以及第三子像素单元 E3。

作为优选的方案， 上述三种子像素单元在像素阵列区中周期性排 歹， 且同种类的子像素单元不相邻 （既不行相邻， 也不列相邻）。 这样 三个相邻且不同种类的子像素单元便可以视为 一个像素组。 从宏观角 度， 上述像素组在像素阵列区内呈点状排列， 能够获得最佳的成像效 果。

当白光从某一像素单元中透过彩膜出射时， 出射光的颜色即该像 素单元彩膜的颜色。

在同一个像素组内， 三个子像素单元出射不同颜色光束的光强大 小不同， 能够在视觉上形成不同色彩， 从而使得本发明所述 MEMS显示 器显示出彩色的图形。

以上三实施例中， 光源仅起到产生入射光束的作用， 而决定 MEMS 显示器显示图像的， 是经由各级光切换开关路由后， 从各像素单元出 射的光束。 通过各薄膜晶体管可以控制相应的光切换开关 对入射光束 进行光路切换， 便能够进一步控制各像素单元的出射光束。 在所述像 素阵列区中， 阵列排布的各像素单元出射不同光强、 颜色的光束， 在 视觉效果上便能够叠加形成所需显示的图像。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上， 但其并不是用来限定本发 明， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和 范围内， 都可以利 用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方 案做出可能的变动和修 改， 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术 质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化及修饰， 均属于本 明技术方案的保护范围。