CN1729086B - 微机械热结构和制造该微机械结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调制光束的微机械热结构和制造该结构的方法。该微机械结构包括两层在第一方向和第二方向上分别具有不同热膨胀系数的材料，第一方向横向于第二方向，并且所述两层包含取向聚合物，所述第一层的取向聚合物的分子指向矢横向于所述第二层的取向聚合物的分子指向矢。这种微机械结构的阵列可以形成用于调制光的热光调制器。该方法包括提供具有定向诱导层的模的步骤，以便在液晶单体的单体状态中获得分子取向，还包括用光致聚合作用固定该分子取向的步骤。

Description

微机械热结构和制造该微机械结构的方法
技术领域
本发明涉及一种微机械热结构。本发明进一步涉及包含该微机械热结构的热光调制器以及制造该微机械热结构的方法。
这种类型的微机械热结构可用在调制辐射的设备，例如可转换镜、智能窗、快速成像装置和光学记录介质。
背景技术
从美国专利US6137623中已知一种在首段中提及的那种类型的微机械热结构。该文件公开了一种热操作(thermally actuated)板，其中一个加热器夹在两个具有不同热膨胀系数的聚合物层之间。例如，如果两个层在第一初始温度具有相同的长度，那么在一个不同于初始温度的温度下，一个层的长度将会不同于另一个层的长度。
进一步，该文件公开了一种包括多个热光结构的热光调制器，该多个热光结构设置在一个形成一反射表面的微电子衬底上，其中，通过有选择地加热这些热光结构，热光结构在该反射面内引入了一种不连续性，以便能够反射或者吸收冲击辐射。
这种已知热光结构的一个缺点是它们是用传统的微电子或微机械技术来制造的，这其中还需要若干掩模和刻蚀步骤。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种如在首段中提及的微机械热结构以及一种能用本身就很简单的技术来制造的热光调制器。为了达到这个目的，本发明的第一方面提供一种微机械结构，而且本发明的第二方面提供一种热光调制器。其中，本发明是基于这样的认识，即在例如液晶聚合物网络的取向聚合物的情况下，排列好的液晶聚合物网络在平行于分子指向矢(director)的方向上的热膨胀不同于垂直于分子指向矢的方向上的热膨胀。如果微机械热结构的两个层是彼此附着的，那么温度的改变将导致该微机械热结构的弯曲。这种热膨胀行为是可逆的。
在该应用中，指向矢是指取向聚合物分子的纵轴线的平均指向。
如果在单一的衬底上制作有不止一个微机械结构，那么就能获得热光调制器。热光调制器是基于这样的事实，即每个微机械热结构的聚合物层具有吸收染料或反射涂层，并且以这样的方式定位在一个透明衬底上，即在处于第一温度的第一状态中，这些微机械结构能挡住一部分下面的表面并能阻挡入射光，而在处于第二温度的第二状态中，它们能经由透明衬底而透射一部分入射光。
根据本发明的一个特别优选的实施例，液晶聚合材料是单体的反应产物或者是包含反应基的单体混合物的反应产物。这种聚合材料具有液晶团簇能在聚合之前被定向的优点。聚合作用使得这种定向固定为在其初始状态下的取向，而在初始状态中已经进行了诱导定向。这些液晶材料本身可从公开的国际专利申请WO97/44409中知晓。
根据本发明的又一个实施例，在这个实施例中，当一个双层结构是由具有扭曲的指向矢图(twisted director pattern)的单层聚合材料制成时，那么可获得固有的机械连接。这个实施例可由一个模通过光复制(photoreplication)来制成，该模具有定向诱导层，该定向诱导层可以在液晶单体的单体状态中建立不同的但是可良好控制的分子取向，这些分子取向随后可在光致聚合过程中被固定下来。
优选地，该液晶材料是被平面定向的，该单层一侧的指向矢被定向为平行于该单层，而该单层另一侧的指向矢被定向为垂直于该单层。
本发明的另一个目的是提供一种制造在首段中提及的微机械热结构的方法，该方法应用起来相对简单。该目的通过本发明的方法实现。在该方法中，热光调制器或微机械热结构由一个模通过光复制来制成，该模具有定向诱导层，该定向诱导层可以在液晶单体的单体状态中建立不同的但是可良好控制的分子取向，这些分子取向随后可在光致聚合过程中被固定下来。
更多的优选实施例在从属权利要求中说明。
附图说明
通过参考下文中描述的具体实施方式，本发明的这些和其它方面是显而易见并将被阐明。
在附图中：
图1是一种已知的聚合物双层元件；
图2是一种示意性的C6H和C10H的聚合物网络；
图3是聚C6H和聚C10H液晶网络的热膨胀图；
图4图表地示出了在温度变化时将会弯曲的扭曲液晶网络；
图5是制作扭曲液晶分子结构的复制过程的过程步骤；
图6图表地示出了一种热光调制器；和
图7是作为温度函数的热光调制器的透射率温度图。
具体实施方式
图1图表地示出了一种微机械热结构10，包括两个取向聚合物材料的层12、14，这两个层的长度为h，厚度分别为d1和d2，这两个层在第一方向和第二方向上分别具有不同的热膨胀系数。第一层12的取向聚合物的分子指向矢n1垂直于第二层14的取向聚合物的分子指向矢n2。优选地，该取向聚合物是由液晶单体制成。
进一步，第一和第二层12、14可由相同的液晶聚合材料制成。在这种液晶聚合材料中，在一定方向上的热膨胀依赖于该方向相对于液晶聚合物网络内的分子指向矢的取向。在这个例子中，与液晶聚合物网络内的分子指向矢一致的方向上的膨胀系数最大。
图2示出了适合的液晶材料C6H和C10H的聚合物网络的分子图16。
图3示出了通过将单体C6H和C10H聚合而形成的两种液晶网络在定向状态中作为温度函数的热膨胀图。曲线20显示出聚合C6H在垂直于指向矢方向上的热膨胀，而曲线22显示出聚合C6H在平行于指向矢方向上的热膨胀。
曲线24显示出聚合C10H在垂直于指向矢方向上的热膨胀，而曲线26显示出聚合C10H在平行于指向矢方向上的热膨胀。从图3中可见，在预定方向上热膨胀的区别是很明显的。因此，当在室温下平直但是具有相互垂直的指向矢的两层液晶聚合材料彼此附着以便形成微机械热结构时，这些层在温度变化时会被迫弯曲。这是由不同的热膨胀造成的。该层在垂直于指向矢方向上的热膨胀高，而该层在平行于指向矢方向上的热膨胀低并且甚至可以是负值。
图4示出了一种由单层液晶聚合材料制成的微机械热结构40，该液晶聚合材料具有扭曲的指向矢图42，其中，两层之间的机械连接被固有地获得。在更高温度时，例如，一侧44沿着线46膨胀，相对一侧48沿着线50收缩。结果，该层在沿着线52的方向上弯曲。
可选择地，该液晶分子是成张开地定向的，该单层的一侧的指向矢被平行于该单层定向，而该单层的另一侧的指向矢被垂直于该单层定向。
图5示出了具有扭曲分子排列的微机械热结构制造方法的流程图。在第一步54中，带有所需表面间隙58的模56具有定向诱导层60，表面间隙58依赖于所需的微机械热结构的外形，该表面间隙58例如可以用光配向(photo-alignment)层60来涂覆。适合的光配向层用于向模56提供能局域地提供液晶单体的预定分子取向的取向层。这些光配向层是例如基于肉桂酯，该肉桂酯可通过暴露在偏振光下而进行各向异性1.2环加成作用。这些光配向层可从文献<“photoalignment andphoto-patterning of planar and homeotropic liquid-crystal-displayconfiguration”，by H.Sieberle and M.Shadt，Journal SID，8/1，67-70，2000>以及文献<“Photoinduces surface alignment for liquid crystaldisplays”by M.O’Neill and S.M.Kelly in Journal of PhysicsD：Appl.Phys.，33，R67-R84，2000>中获知。
可选择地，该光配向层可基于光敏聚酰亚胺，通过本领域的技术人员所选择的光致反应，该光敏聚酰亚胺提供了各向异性以便对与光配向层60接触的液晶材料进行排列。光配向层是市场上可买到的并且能从Vantico、JSR和Nissan获得。
在随后的步骤62中，表面间隙58暴露在具有第一线性偏振方向的紫外光下。在下一个随后的步骤64中，该表面间隙暴露在具有第二线性偏振方向的紫外光的照射下，该第二线性偏振方向不同于第一偏振方向。这些曝光在模表面间隙58处提供了一种预定的定向诱导结构。也有可能不需要曝光而施加一层垂直于模56的表面定向液晶分子的光配向层，并且在有紫外光照的时候将液晶分子对齐在一预定的平面方向上。这种类型的光配向具有这样的优点，即在准备模的过程中只需单次曝光就能在反应的液晶单体中提供预定的指向矢朝向。
在下一个随后的步骤66中，衬底68对着模56放置，并且反应的液晶单体70被挤压在模56和衬底68之间。在一个等待期中可获得液晶单体内的预定分子指向，在该等待期之后，该单体通过在紫外辐射下曝光而被聚合。优选地，在该等待期中，可进行一个热处理步骤以便促进获得液晶单体的预定分子指向。一种适合的液晶单体是C6H或C10H。
在下一个随后的步骤72中，移去模54并获得微机械热结构73。图5中的模54形成单个微机械热结构73。但是，也有可能成形一种用于在单个衬底上形成微机械热结构阵列的模，以便制造热光调制器。
图6示出了包括聚合物壁75的热光调制器74。在第一温度下，聚合物壁75垂直于优选是透明的衬底76。优选地，该聚合物壁75具有反射涂层(未示出)，例如Al、Ag或Au。也有可能该聚合物壁74具有吸收涂层(未示出)，例如CrO2。
可选择地，该聚合物壁75通过添加诸如碘聚乙酸乙烯酯(iodinepolyvinylacetate)的二色性主客染料而制成是自吸收的，该染料传统上是施加在液晶显示装置所使用的偏振器中。在未变形的状态，该聚合物壁75是平直的并且该热光调制器74经由透明衬底72透射了基本上所有的入射光77。在处于第二更高的温度下的第二变形状态中，热光调制器74的聚合物壁72弯曲并且因而阻挡了基本上所有的入射光77。相反方向的箭头表明，当温度复原到其初始值时，该转换过程是可逆的。
这种热光调制器的透射率可用公式(1)来计算
Tr = p - ( d 1 + d 2 ) - &xi; p . 100 % - - - ( 1 )
其中
Tr表示透射率，
P表示衬底上相邻聚合物壁之间的节距或间距，
d1、d2表示每一个壁的第一层和第二层各自的厚度，和
ξ表示投影变形。
该投影变形可以使用公式(2)从分别垂直和平行于指向矢的热膨胀系数γ1和γ2估计得到
Figure GSB00000060085300052
其中，h表示聚合物壁的厚度而r是用公式(3)计算得到的
r = d 1 ( 1 + &gamma; 2 &Delta;T ) + d 2 ( 1 + &gamma; 1 &Delta;T ) ( &gamma; 1 - &gamma; 2 ) &Delta;T - - - ( 3 )
对于液晶聚合材料，热膨胀系数γ1和γ2在所构成的聚合物的玻璃化温度附近开始彼此偏离。结果，在该玻璃化温度附近的透射率呈现出陡峭的转变。这对具有不同壁几何结构的热光调制器来说是典型的。
图7示出了表示热光调制器的透射率作为温度的函数的图81，该用于一个设备的热光调制器对于不同高度而具有20微米的恒定节距p并且具有2微米的厚度d1、d2。曲线82～85示出了作为温度T的函数的透射率Tr，聚合物壁的高度h分别为10、20、30和40微米。
进一步，图7示出了表示热光调制器的透射率作为温度的函数的图86，该用于一个设备的热光调制器对于不同节距而具有30微米的恒定高度h并且具有2微米的厚度d1、d2。曲线87～90示出了作为温度T的函数的透射率Tr，聚合物壁的节距p分别为10、20、30和40微米。
很明显，在不偏离权利要求书的范围的本发明的范围内可能有很多的变化。

Claims (9)

1.一种微机械热结构，包括
两层在第一方向和第二方向上分别具有不同热膨胀系数的材料，第一方向横向于第二方向，并且所述两层包含取向聚合物，所述第一层的取向聚合物的分子指向矢横向于所述第二层的取向聚合物的分子指向矢，其中，所述取向聚合物包括液晶聚合材料。
2.根据权利要求1所述的微机械热结构，其中，所述两层构成一单层，并且将液晶分子的指向矢图从所述单层的第一侧扭曲到所述单层的相对侧，以使所述单层的第一侧的取向聚合物的分子指向矢横向于所述单层的相对侧的经改变的聚合物的分子指向矢。
3.根据权利要求1所述的微机械热结构，其中，所述取向聚合物的分子指向矢平行于这些层。
4.一种热光调制器，包括在衬底上排列的多个如权利要求1所述的微机械热结构。
5.根据权利要求4所述的热光调制器，其中，所述层具有反射涂层或吸收涂层。
6.根据权利要求4所述的热光调制器，其中，所述取向聚合物层包含用于吸收光的二色性主客染料。
7.一种制造如权利要求1所述的微机械热结构的方法，包括步骤：
成形一带有所需要的表面间隙的模，用于复制所述微机械热结构的形状；
为所述模提供一定向诱导层，以便在液晶单体的单体状态中获得分子取向；
在所述模和衬底之间挤压反应的液晶单体材料；
聚合所述液晶单体材料；
从所述衬底上移去所述模，从而获得衬底上的微机械热结构。
8.根据权利要求7所述的制造微机械热结构的方法，其中，为所述模提供一定向诱导层的步骤进一步包括步骤：
用一光配向层涂覆所述模的表面；和
将所述光配向层暴露于紫外辐射下，以便获得一个将所述模表面上的液晶分子的指向矢诱导至预定方向上的结构。
9.根据权利要求8所述的制造微机械热结构的方法，其中，将所述光配向层暴露的步骤包括两个子步骤：
将所述光配向层暴露于具有第一线性偏振方向的紫外辐射下；和
将所述光配向层暴露于具有第二线性偏振方向的紫外辐射下，该第二偏振方向不同于第一偏振方向。
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