TWI339365B - Pixel device - Google Patents

Description

1339365 九、發明說明： I：發明戶斤屬之技術領域3 本發明係有關於一種像素元件。 【先前技術;3 5 發明背景 微機械光學元件已相當普遍地被做為顯示產品之基本 像素零件/元件使用。像素元件為一種以電壓致動之空間光 調控光學空腔。透過一干擾方法，該像素元件產生不同的 色彩反射。基本上，該像素元件以高壓運作。驅動像素元 10 件之高壓元件使設計實作較為複雜。 L發明内容3 本發明係為一種像素元件，包含：一第一面板、一設 置於該第一面板下方之第二面板，以及一設置於該第二面 板下方之第三面板；一第一電源，以提供一第一電壓予該 15 第一面板；一第二電源，以提供一第二電壓予該第二面板 ;以及一第三電源，以提供一第三電壓予該第三面板。 本發明亦為一像素元件之操作方法，包含：提供一第 一面板、一設置於該第一面板下方之第二面板，以及一設 置於該第二面板下方之第三面板；以及以一順序對該第一 20 面板、該第二面板以及該第三面板供給能量。 圖式簡單說明 第1圖為根據本發明一實施例之像素元件的概略圖，例 示一與一第一面板等距之第二面板及一第三面板； 第2圖為根據本發明一實施例之像素元件的概略圖，其 5 中第二面板較靠近第一面板； 第3圖為根據本發明一實施例之像素元件的概略圖，其 中第二面板較靠近第三面板； ' 第4圖為根據一示範實施例之圖表，例示含回位路徑之 上方缺口與以Vtop = 3.3V且Vbot = -3,3V施加至像素面板 之訊號電壓； 第5圖為根據一示範實施例之圖表，例示含回位路徑之 上方缺口與以Vtop = 3.3V且Vbot = 〇v施加至像素面板之 訊號電壓；以及 第6圖為根據一示範實施例之圖表，例示含回位路徑之 上方缺口與以Vtop = 0V且Vbot = -3‘3V施加至像素面板之 訊號電壓。 I：實施方式；J 較佳實施例之詳細說明 第1至6圊僅為例示之用，其並不應被解釋成限制本發 明；熟悉此項技藝之人士將可思及各種被視為構成本發明 之一部分的修飾與替代。 第1圖例示一設置於一基板110上之像素元件100的實 施例。該像素元件100包括一DLD(繞射光元件)MEMS(微電 子電機系統)結構。該像素元件100包括一第一面板120、一 設置於該第一面板120下方之第二面板13〇、以及一設置於 該第二面板130下方之第三面板140。該第二面板130可移動 。直接由柱體150支撐之該第一面板120與設置於該基板110 上之該第三面板140大致相互成靜止狀態。根據一實施例， 1339365 視該像素元件100之組態而定，該第二面板130可以較靠近 該第一面板120，如第2圖所示，或者較靠近該第三面板140 ，如第3圖所示，或者與該面板120、140等距，如第1圖所 示。該第二面板130由彎曲部分】60支撐’該彎曲部分160復 5 又由該柱體150支撐。 在一實施例中，該第二面板130可反射而該第一面板 120則為半透明。箭頭no代表進入該第一面板120之光線。 箭頭172、174分別代表退出該第一面板120及該第二面板 130之光線。該像素元件1〇〇之色彩輸出為該光線172、174 10 之間之干擾的結果。根據一實施例，該第一面板120可以錄 做成。該第二面板130及該第三面板140可以鋁做成。該彎 曲部分160可包括一銘/鈦合金。然而’上述材料並不具限 制性質且可使用任何其他適當的材料。 該像素元件100可以標準微電子製造技術如光蝕刻、氣 15 相沉積及蝕刻建造。然而，上述技術對本發明並不具限制 性質且可使用任何其他適當的技術。同時在申請中之於 2〇〇3年4月30日提申的美國專利申請案第10/428261號，關 於與本發明實施例之該像素元件100同類型的製造方法，名 為 “Optical Interference Pixel Display with Charge Control” 20 之發明的揭露内容在此以參照方式併入本說明書以做為一 製造技術的範例。 因此，該像素元件〗00包括一第一缺口結構以產生一具 有一第一尺寸的光學/靜電缺口 180、以及一第二缺口結構 以產生一具有一第二尺寸的靜電缺口 190。界定該第一缺口 7 1339365 結構之該第一面板120及該第二面板130做為一平行面板電 容之一電極組。界定該第二缺口結構之該第二面板130及該 第三面板140做為一平行面板電容之另一電極組。第1圖中 之參閱數字d0代表該靜電缺口 190之一距離而參閱數字D0 5 則代表該光學/靜電缺口 180以及該靜電缺口 190兩者之總 距離並包含該第二面板130之厚度。該光學/靜電缺口 180以 及該靜電缺口 190依該第一面板120、該第二面板130、及該 第三面板140之間之靜電力與該彎曲部分160及下文所述之 偏壓的機械彈簧力之平衡而設定。該光學/靜電缺口 180及 10 該靜電缺口 190可包括一介於800至6000埃之缺口範圍。其 他適當的尺寸可使用於某些實施例中。 根據一實施例，如第卜2、及3圖所示，一第一電源191 提供一第一電壓Vtop予該第一面板120、一第二電源192提 供一第二電壓V予該第二面板130、且一第三電源193提供一 15 第三電壓Vbot予該第三面板140。該第一電源191被操作以 使該第一面板120成為相對於該第二面板130之正面偏壓或 負面偏壓，且該第三電源193被操作以使該第三面板140成 為相對於該第二面板130之正面偏壓或負面偏壓的另一者 。該第二電源192被操作以使該第二電壓V包含一調控該第 20 二面板130之位置的可變式訊號電壓。根據第1、2、及3圖 所示之實施例，藉由提供該第三電壓Vbot，可產出一以低 電壓操作之像素元件100，如下述。該第一面板120、該第 二面板130、及該第三面板140之靜電力可與該彎曲部分160 之機械彈簧力平衡，如下列等式所定義： 8 1339365 — ·ε·ΑΙ· Vtop — v ' 2 1 \V-Vbotl 2 2 Ui)— (ί/〇 _ ^ Α2· 2 dO-x -kx (1) 其中’ ε為自由空間之介電常數、A1為該第—面板120 及-亥第一面板130之面積、A2為該第二面板13〇及該第三面 板140之面積、k為該f曲部分16()之線性彈簧常數且乂為 5該第二面板130相對於其原始位置之位移。 參考等式⑴’等式中左手邊之第—數值代表該第一面 板120及該第二面板13〇之間所產生之靜電力，且代表一平 行面板電容之-電極組。等式中左手邊之第二數值代表該 第一面板130及該第三面板14〇之間所產生之靜電力，且代 10表一平行面板電容之另一電極組。該正 '負記號分別代表 該第二面板130被拉高與拉低。 根據本發明之另一實施例，該像素元件1〇〇之雙重缺口 尺寸可以透過測定等式（1)被最佳化。藉由測定該第一面板 120、該第二面板130、及該第三面板140之不同結構尺寸以 15及該彎曲部分160之機械彈簧力，可產出以低電壓操作之像 素元件100。舉例來說’對一20微米χ20微米之第二面板130 而言’該第二面板130之移動可以針對一特定之被施加訊號 電壓V計算並最佳化。此外’該第二面板130之電壓敏感性 、接通效應及磁滯特性可以被分析。 20 最佳化程式之最終結果為，以低電壓操作之該像素元 件100可以做成該光學/靜電缺口 180具有0.3微米之距離、該 靜電缺口 190具有0.6微米之距離、且該彎曲部分160具有3.3 μΝ/μπι之整體彈簧係數。為允許在介於0至5V之範圍内的低 9 1339365 電壓訊號操作，該第一面板120可以一正面電壓Vt〇P = 3.3V 進行偏壓、該第二面板130可以施加一介於〇至5V之範圍内 的可變式訊號電壓、且該第三面板^。可以一負面電壓vt〇p =-3.3V進行偏壓。然而，上述以程式最佳化以利該像素元 5 件1〇〇之低電壓操作的參數對本發明並無限制哥使用任 何其他適當的參數。 第4圖顯示一根據本發明一實施例之像素元件1〇〇的低 電壓特性。為求例示’該光學/靜電缺口 簡稱上方缺口 而該靜電缺口 190則簡稱下方缺口。參考第4圖，高於5V之 10 施加訊號電壓V並不需要使用於本發明中。正方形點狀曲線 顯示對應至該第二面板130之動作的該上方缺口。因此’我 們發現’根據第4圖，在該第二面板no之初始化期間，當 偏壓Vtop = 3.3V及Vbot = -3.3V兩者被同時施加至該第一 面板120及該第三面板丨4〇時’該第二面板13〇可能變得不安 15定並往上彈至該第一面板120或往下彈至該第三面板140， 視S亥像素元件1〇〇之組態而定。該上彈及該下彈係由於所產 生之靜電力（等式（1))高至足以將該第二面板130拉/彈向該 第一面板120或該第三面板140而發生。該第二面板丨3〇被上 彈或下彈後，施加訊號電壓V之改變將移動該第二面板13〇 20以回位其原始位置。該第二面板130之回位其原始位置的動 作以上彈回位（三角形點狀曲線）及下彈回位（鑽石點狀曲線) 表示，如第4圖所示。該上方缺口之上彈回位介於〇至丨5V 之間’最終的上方缺口約為〇·08微米。該上方缺口之下彈 回位介於4至5V之間’最終的上方缺口約為0 6微米。 10 1339365 根據一實施例，第4圖例示該第二面板130於0V下上彈 至該第一面板120，最終的上方缺口約為0.08微米。請注意 ，如果該第二面板130碰觸（保留0微米給該上方缺口或該下 方缺口）該第一面板120或該第三面板140，則短路可能發生 5 。為了避免短路，在一實施例中，非傳導凸塊165可設於該 第二面板130及該第一面板120之底部表面上，如第1、2、 及3圖所示。由於該凸塊165不具傳導性，即使該第二面板 130碰觸該第一面板120或該第三面板140,短路的發生亦可 避免。根據一實施例，該非傳導Λ塊165包括一絕緣材料如 10 二氧化矽。然而，所使用之材料種類、以及該凸塊165之位 置並不具限制性，且可使用任何適當的構件。如第5圖所示 ，當該第二面板130上彈至該第一面板120，一大約為0.08 微米而非0微米的上方缺口被產生。 為解決此一上彈或下彈問題，該像素元件100之結構尺 15 寸可以透過犧牲該第二面板130之某一操作電壓範圍或透 過在該第二面板130初始化時排列該電源191、192、193之 電壓開啟順序重新設計。第5及6圖顯示一正面或負面電壓 偏壓該第一面板120以做為第一或第三偏壓面板中之一者 的分析預測，接下來該第二面板以一訊號電壓V被偏壓，最 20 後該第三面板140以一正面或負面電壓被偏壓以做為第一 或第三偏壓面板中之另一者。參考第5圖，一不受期待的上 彈範例在錯誤的偏壓順序被使用時出現。在該第二面板130 初始化時，3.3V之Vtop依序首先被施加，然後是V(以一介 於0至5V之初始設定值）及-3.3V之Vbot。在此一狀況下，該 11 1339365 第二面板130將不安定並上彈至該第一面板12〇，如在具有 下方缺口約為0.3微米且上方缺口約為0.6微米之初始設定 的組態中之正方形點狀曲線所示。此一不安定是由於該上 方缺口（0.3微米）較該下方缺口（0.6微米）小且該第二面板 5 130與該第一面板120之間的靜電力較高的緣故《該上彈發 生於0至0.2V之間，最終的上方缺口約為〇.〇8微米。 參考第6圖，在該第二面板130初始化時，當-3.3V之 Vbot依序首先被施加，然後是V(以一介於〇至5V之初始設定 值）及3.3V之Vtop，該第二·面板130將呈現安定且不會彈向 10 該第一面板120或該第三面板140。正方形點狀曲線顯示該 第二面板130在0至5V之間呈安定狀態，其上方缺口約為0.3 微米。以鑽石點狀曲線表示之上方缺口下彈回位發生於4至 5 V之間，最終的上方缺口約為0.6微米。此一安定是由於該 下方缺口（0.6微米）較該上方缺口（〇.3微米）大且該第二面板 15 130與該第一面板120之間的靜電力較低的緣故。該偏壓

Vtop、Vbot與該訊號電壓V之施加的時間分隔在一實施例中 可在大約0· 1微秒至1微秒之間。在第5及6圖中，不需使用 高於5V之施加訊號電壓V。 如上所述’為了在晶片初始化時提供安定性給該第二 2〇 面板130 ’該第一面板12〇、該第二面板130、及該第三面板 140以一順序被供給能量，祝該第一面板12〇與該第二面板 130之間的距離、以及該第三面板140與該第二面板13〇之間 的距離而定。根據該像素元件100之一組態的實施例，如第 5及6圖所示’由於該第三面板140與該第二面板13〇之間的 12 1339365 距離（0.6微米之下方缺口）大於該第一面板120與該第二面 板130之間的距離(〇.3微米之上方缺口）’該第三面板140被 首先偏壓。相反地’在該像素元件〗00之一組態中’該第一 面板120與該第二面板130之間的距離大於該第三面板14〇 5 與該第二面板130之間的距離’故該第一面板120被首先偏 壓。 上揭本發明之各個實施例的說明係為例示及說明用 途。其不應被視為詳盡說明或被當作將本發明限制於所揭 露之精確模式的基礎，且修飾及變化可在上列教示下做成

1〇 或在實施本發明時被獲得。該等實施例被選擇且說明以期 闡明本發明之原理暨其實際應用以使熟悉此項技藝之人士 以各種實施例及各種適用於特定用途之修飾應用本發明。 【囫式簡單說明J 第1圖為根據本發明一實施例之像素元件的概略圖，例 15不—與—第一面板等距之第二面板及一第三面板；

第2圖為根據本發明一實施例之像素元件的概略圖，其 中第二面板較靠近第一面板； 20 ★第3圖為根據本發明一實施例之像素元件的概略圖， 中第二面板較靠近第三面板； 圖為根據一示範實施例之圖表，例示含回位路徑 上方缺D與以Vt°p = 3.3V且Vbot = _3.3V施加至像素面板 其 之 之訊號電壓； 第5圖為根據-示範實施例之圖表，例示含回位路徑之 上方缺口斑 ” Vt0P = 3.3V且Vbot = 〇\/施加至像素面板之 13 1339365 訊號電壓；以及 第6圖為根據一示範實施例之圖表，例示含回位路徑 上方缺口與以Vtop = 0V且Vbot = -3.3V施加至像素面板 訊號電壓。 【主要元件符號說明】 之 之

100…像素元件 110…基板 120, 130, 140···面板 150…柱體 160…彎曲部分 165…非傳導凸塊 170, 172, 174··.箭頭 180…光學/靜電缺〇 190···靜電缺口 191，192, 193···電源 14

Claims (1)

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20 號申請W申請專利範圍替換 ' ' --------------------- -1 —t 麵 —— ..... 一 · | 十、申請專利範圍： 打年//月J曰修 1 · 一種像素元件，其包含： 一第一面板、設置於該第一面板下方之一第二面板、 以及設置於該第二面板下方之一第三面板’其中該第二 面板和該第一面板包括位於該第二面板和該第—面板之 底部表面上的數個非傳導性凸塊； 一第一電源，用以提供一第一電壓予該第—面板·， 一第二電源，用以提供一第二電壓予該第二面板；以 及 一第三f源，用以提供一第三電壓予該第三面板。 2. 如申請專利範圍第丨項之元件，其中該元件為一個1)匕1) (繞射光元件）MEMS (微電子電機系統）元件。 3. 如申請專利範圍第1項之元件，其中該第二電壓包含一 可變式訊號電壓。 4. 如申請專利範圍第3項之元件，其中該可變式訊號電堡 調控該第二面板之位置。 5. 如申請專利範㈣1項之元件，其中該第—電源被操作 以使該第一面板被做相對於該第二面板之正偏壓或負 偏壓中之-者，且該第三電源被操作以使該第三面板被 做相對於該第二面板之正偏壓或負偏壓中之另一者。 6. 如申請專利範圍第丨項之元件，其中該第二面板可移動 ，且該第一面板與該第三面板實質上為靜態。 7. 如申請專利範圍第丨項之元件，其中該第二面板離該第 —面板比該第三面板要近。 15 ^39365 ?1年"肜日修 1 8·如申料鄉1!第1項之元件 1 二面板離該第 二面板比該第一面板要近。 如申4專利範圍第1項之元件，其中該第_ 二面板在該第 一面板及該第三面板之間等距處。 〇·如申凊專利範圍第1項之元件，其中該第二 二面板係由彎 曲部分支揮。 U.如申請專利範圍第丨項之元件，其中該第二 -面板具反射 ’且5玄第一面板為半透明的。 12·如申請專利範圍第旧之元件，其中該等非傳導性凸塊 包含二氧化矽。 13.如申請專利範圍第丨項之元件，其中該第—面板、該第 二面板、及該第三面板以一順序被供給能量。 15 14·如申請專利範圍第丨3項之元件，其中該第一面板與該第 二面板間之距離大於該第三面板與該第二面板間之距 離，並且其中該順序包含首先將該第一面板偏壓。 15. 如申請專利範圍第13項之元件，其中該第三面板與該第 二面板間之距離大於該第一面板與該第二面板間之距 離’並且其中該順序包含首先將該第三面板偏壓。 16. —種操作像素元件之方法，其包含下列步驟· 20 提供一第一面板、設置於該第一面板下方之一第二面 板、以及設置於該第二面板下方之一第三面板’其中該 第二面板和該第一面板包括位於該第二面板和該第一面 板之底部表面上的數個非傳導性凸塊； 避免該第一面板與該第二面板短路； 16 1339365 「· 一__,_ f)年"月$曰修(更)正替換頁 避免該第二面板與該第三面板短路；以及 .- 以一順序對該第一面板、該第二面板、以及該第三面 板供給能量，以避免該第二面板上彈至該第一面板或下 彈至該第三面板。 5 Π.如申請專利範圍第16項之方法，其中該第一面板與該第 二面板間之距離大於該第三面板與該第二面板間之距 離，並且其t該順序包含首先將該第一面板偏壓。 18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該第三面板與該第 胃 二面板間之距離大於該第一面板與該第二面板間之距 10 離，並且其中該順序包含首先將該第三面板偏壓。 19. 一種像素元件，其包含： 一第一面板、設置於該第一面板下方之一第二面板、 以及設置於該第二面板下方之一第三面板 用以避免該第一面板與該第二面板短路之構件； 15 用以避免該第二面板與該第三面板短路之構件； ^ 用以提供一第一電壓予該第一面板之一第一電源構 件； 用以提供一第二電壓予該第二面板之一第二電源構 件；以及 20 用以提供一第三電壓予該第三面板之一第三電源構 件，以避免該第二面板上彈至該第一面板或下彈至該第 三面板。 20. 如申請專利範圍第19項之元件，其中用以提供一第二電 壓予該第二面板之該第二電源構件包含一可變式訊號 17 1339365 t枰"月}曰修(更)正替換I 電壓構件，用以調控該第二面板之位置。 21.如申請專利範圍第19項之元件，其中用以提供一第一電 壓予該第一面板之該第一電源構件包含一正或負偏壓 之一之構件，用以使該第一面板相對於該第二面板被偏 5 壓，並且其中用以提供一第三電壓予該第三面板之該第 三電源構件包含該正或負偏壓之一之另一之構件，用以 使該第三面板相對於該第二面板被偏壓。

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