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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der
mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS). Insbesondere bezieht sich
die vorliegende Erfindung auf das Gebiet der MEMS und der Systeme,
beispielsweise Display-Projektionssysteme, Drucksysteme und Lichtstrahl-Umschaltsysteme,
die MEMS für
räumliche
Lichtmodulatoren verwenden.
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Räumliche
Lichtmodulatoren (SLMs) sind Wandler, die einen einfallenden Lichtstrahl
in ein räumliches
Muster modulieren, das einer optischen oder elektrischen Eingabe
entspricht. Der einfallende Lichtstrahl kann bezüglich Phase, Intensität, Polarisation
oder Richtung moduliert werden. Diese Modulation kann durch die
Verwendung einer Vielzahl von Materialien erreicht werden, die magneto-optische, elektro-optische oder elastische
Eigenschaften zeigen. SLMs haben viele Anwendungen einschließlich der
optischen Informationsverarbeitung, in Displaysystemen und beim
elektrostatischen Drucken.
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Ein
früher
SLM, der zur Verwendung in einem Projektionsdisplay-System ausgelegt
war, ist in der US-A-3,746,911
beschrieben. Die einzelnen Pixel des SLM werden über einen Abtastelektronenstrahl wie
in einer herkömmlichen,
direkt betrachtbaren Kathodenstrahlröhre (CRT) adressiert. Statt
einen Phosphor anzuregen, lädt
der Elektronenstrahl ablenkbare, reflektierende Elemente, die auf
einer Quarzfrontplatte angeordnet sind. Elemente, die aufladen werden,
biegen sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zur Frontplatte hin. Gebogene
und ungebogene Elemente reflektieren parallel einfallende Lichtstrahlen
in unterschiedliche Richtungen. Das Licht, das von ungebogenen Elementen
reflektiert wird, wird mit einem Satz von Schlieren-Stopps blockiert, während das
Licht von gebogenen Elementen durch eine Projektionsoptik hindurch
treten und ein Bild auf einem Bildschirm ausbilden kann. Ein anderer
mit Elektronenstrahl adressierter SLM ist der Eidophor, der in E.
Baumann „The
Fischer large-screen projections system (Eidophor)" 20 J.SMPTE 351 (1953)
beschrieben ist. In diesem System ist das aktive, optische Element
ein Ölfilm,
der periodisch durch den Elektronenstrahl verformt wird, um einfallendes
Licht abzulenken. Ein Nachteil des Eidophor-Systems ist es, dass
der Ölfilm
durch das konstante Elektronenbombardement polymerisiert wird, und
dass Öldämpfe zu
einer kurzen Kathodenlebensdauer führen. Ein Nachteil von beiden
dieser Systeme ist ihre Verwendung von sperrigen und teuren Vakuumröhren.
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Ein
SLM, in dem bewegliche Elemente über eine
elektrische Schaltung auf einem Siliziumsubstrat adressiert werden,
ist in K. Peterson, „Micromechanical
Light Modulator Array Fabricated on Silicon" 31 Appl. Phys. Let. 521 (1977) beschrieben.
Dieser SLM enthält
ein 16-auf-1-Feld von freitragenden Spiegeln oberhalb eines Siliziumsubstrats.
Die Spiegel sind aus Siliziumdioxid hergestellt und haben eine reflektierende
Metallbeschichtung. Der Raum unterhalb der Spiegel wird durch Wegätzen von
Silizium über
eine KOH-Ätzung
erzeugt. Die Spiegel werden durch elektrostatische Anziehung ausgelenkt:
eine Vorspannung wird zwischen den reflektierenden Elementen und
dem Substrat angelegt und erzeugt eine elektrostatische Kraft. Ein ähnlicher
SLM, der ein 2-dimensionales Feld enthält, ist in der US-A-4,229,732 beschrieben.
Obwohl die Umschaltspannung in diesem SLM dadurch abgesenkt wird, dass
die ablenkbaren Spiegelelemente nur an einer Ecke angeschlossen
sind, hat diese Vorrichtung einen geringen Licht-Wirkungsgrad aufgrund
ihres kleinen partiell aktiven Bereichs. Zusätzlich senkt die Strahlablenkung
von der Adressierschaltung das Kontrastverhältnis (Modulationstiefe) des
Displays ab.
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Ein
anderes SLM-Design ist das Gitter-Licht-Ventil (Grating Light Valve
= GLV), das in US-A-5,311,360 beschrieben ist. Die ablenkbaren, mechanischen
GLV-Elemente sind reflektierende, flache Balken oder Bänder. Sowohl
von den Bändern als
auch dem Substrat wird Licht reflektiert. Wenn der Abstand zwischen
der Oberfläche
der reflektierenden Bänder
und dem reflektierenden Substrat die Hälfte einer Wellenlänge beträgt, addiert
sich das von den zwei Oberflächen
reflektierte Licht konstruktiv, und die Vorrichtung wirkt wie ein
Spiegel. Wenn dieser Abstand ein Viertel einer Wellenlänge ist,
interferiert das von den zwei Oberflächen direkt reflektierte Licht destruktiv,
und die Vorrichtung wirkt als Beugungsgitter, das Licht in Beugungsrichtungen
aussendet. Der Aufbau des GLV unterscheidet sich wesentlich von dem
DMD. Statt eine aktive Halbleiterschaltung an jeder Pixelstelle
zu verwenden, beruht der Ansatz in dem '360 Patent auf einer inhärenten,
elektromechanischen Bistabilität,
um ein passives Adressierungsschema zu verwirklichen. Die Bistabilität existiert, weil
die für
die Auslenkung erforderliche, mechanische Kraft näherungsweise
linear ist, während
die elektrostatische Kraft einem Gesetz des quadratischen Kehrwertes
folgt. Wenn eine Vorspannung angelegt wird, werden die Bänder ausgelenkt.
Wenn die Bänder
an einem bestimmten Punkt vorbei ausgelenkt werden, kann die mechanische
Rückholkraft nicht
länger
die elektrostatische Kraft ausgleichen, und die Bänder schnappen
auf das Substrat. Die Spannung muss wesentlich unterhalb der Schnapp-Spannung
gesenkt werden, damit die Bänder
in ihre nicht-ausgelenkte Position zurückkehren können. Diese Sperrwirkung ermöglicht es,
dass die Treiberschaltung außerhalb
des Chips oder nur an der Peripherie angeordnet wird. Die Adressierschaltung
besetzt somit nicht den optisch aktiven Teil des Feldes. Zusätzlich können keramische
Filme mit hoher mechanischer Güte,
beispielsweise LPCVD – (low
pressure chemical vapor deposition = chemische Abscheidung aus der
Dampfphase bei niedrigem Druck) Siliziumnitrid, zur Ausbildung der
Bänder verwendet
werden. Es gibt jedoch mehrere Schwierigkeiten mit GLV. Ein Problem
ist die Haftreibung: Da die Unterseite der ausgelenkten Bänder das
Substrat mit einem großen
Oberflächenbereich
kontaktiert, neigen die Bänder
dazu, an dem Substrat zu haften. Ein anderes Problem besteht darin,
dass ein passives Adressierungsschema nicht in der Lage sein kann,
hohe Bildraten zu liefern (die Rate bei der das gesamte SLM-Feld
auf den neuesten Stand gebracht wird). Zusätzlich werden bei einem passiven
Adressierungsschema die Bänder
leicht ausgelenkt, selbst wenn sie im Aus-Zustand sind. Dadurch
wird das erreichbare Kontrastverhältnis reduziert. Auch wird,
obwohl diese Vorrichtungen im Wesentlichen planar sind, Licht wie
bei DMD von dem Bereich zwischen den Pixeln gestreut, wodurch das
Kontrastverhältnis weiter
reduziert wird.
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Ein
anderer auf Beugung basierender SLM ist das Microdisplay, das in
P. Alvelda, „High-Efficiency
color Micordisplays" 307
SID 95 Digest beschrieben ist. Dieser SLM verwendet eine Flüssigkristallschicht
auf der Oberseite von Elektroden, die in einem Gittermuster als
Feld angeordnet sind. Die Pixel können durch Anlegen geeigneter
Spannungen an alternierende Elektroden ein- und ausgeschaltet werden.
Die Vorrichtung wird aktiv adressiert und hat potentiell ein besseres
Kontrastverhältnis
als der GLV. Da sie auf der Doppelbrechung von Flüssigkristallen beruht,
erfordert die Vorrichtung jedoch polarisiertes Licht, was ihren
optischen Wirkungsgrad reduziert. Ferner ist die Ansprechzeit von
Flüssigkristallen langsam.
Um Farbe zu erreichen, müssen
daher drei Vorrichtungen – eine
zweckbestimmt für
jede der primären
Farben – parallel
benutzt werden. Diese Anordnung führt zu teuren optischen Systemen.
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Ein
mikro-mechanischer SLM auf Siliziumbasis mit einem großen partiell
optische aktiven Bereich ist das Digital-Spiegel-Gerät (Digital
Mirror Device = DMD), das von Texas Instruments entwickelt wurde und
in der US-A-5,216,537 beschrieben ist. Eine der Ausführungen
umfasst eine quadratische Aluminiumplatte, die über Torsionsgelenke über Adressierungselektroden
aufgehängt
sind. Eine zweite Aluminiumplatte ist auf der Oberseite der ersten
ausgebildet und wird als Spiegel benutzt. Obwohl dadurch die Herstellungskomplexität vergrößert wird,
ist die Doppelplatten-Aluminiumstruktur erforderlich, um eine ausreichend
flache Spiegeloberfläche
herzustellen und die darunter liegende Schaltung und den Gelenkmechanismus
abzudecken. Dies ist wesentlich, um ein akzeptables Kontrastverhältnis zu
erreichen. Die gesamte Aluminiumstruktur wird über eine Sauerstoffplasmaätzung einer
Polymer-Opferschicht
freigelegt. Das Aluminium kann bei niedrigen Temperaturen abgeschieden
werden, wodurch eine Beschädigung
an der darunter liegenden CMOS-Adressierungsschaltung vermieden
wird. Die Gelenke, die die Spiegel mit dem Substrat verbinden, sind
jedoch ebenfalls aus Aluminium, welches sehr anfällig gegen Ermüdung und
plastische Deformation ist.
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Daher
ist, was gefordert wird, ein räumlicher Lichtmodulator,
der eine hohe Auflösung,
einen hohen Füllfaktor
und ein hohes Kontrastverhältnis
hat. Was ferner gefordert wird, ist ein räumlicher Lichtmodulator, der
kein polarisiertes Licht benötigt,
folglich optisch effizient ist und der mechanisch robust ist.
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US 3 553 364 zeigt ein elektro-mechanisches
Lichtventil in einem Feld von vielen derartigen Ventilen, um die
Transmission von Licht in kontinuierlich sich ändernden Mustern zu steuern.
Jedes Lichtventil besteht aus einem Gehäuse mit geerdeten, leitenden
Wänden,
um das Innere davon gegen externe elektrostatische Kräfte abzuschirmen,
die durch umgebende Ventile in dem Feld oder von anderen externen
Kräften
erzeugt werden. Das Licht von einer Quelle tritt in einem Ende des
Gehäuses
durch eine lichttransparente und elektrisch isolierende Platte ein,
die mit einem leitfähigen
Film beschichtet ist, auf dem eine oder mehrere, elektrostatisch
gesteuerte Blattblenden montiert sind. Die Blattblenden und die leitfähigen Gehäusewände bilden
einen Kondensator; durch Anschließen einer Spannung an die Blattblende
wird eine Ladung darauf aufgebaut, wodurch bewirkt wird, dass die
Blende zu den Gehäusewänden hin
angezogen wird. Die Spannung, um die Blattblenden für alle Ventile
in einem Feld aufzuladen, werden durch einen XY-Scanner erzeugt.
Eine geringe Modifikation verändert
das Ventil von einer lichtdurchlässigen
Vorrichtung in ein Licht reflektierendes Ventil.
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US 5 808 780 zeigt einen
mikro-mechanischen, optischen Schalter, bei dem eine reflektierende
Oberfläche
mit zwei unter einem Winkel stehenden, reflektierenden Oberflächen gegenüber eine mikro-mechanischen Vorrichtung
angeordnet sind. Die mikro-mechanische Vorrichtung ist so positioniert,
dass Licht, das entlang einem Weg zu einer ersten der zwei unter
einem Winkel stehenden, reflektierenden Oberfläche eingegeben wird, zu der
mikro-mechanischen Vorrichtung hin reflektiert wird. Die mikro-mechanische Vorrichtung
lenkt das Licht dann auf die zweite der unter einem Winkel stehenden Oberflächen, sodass
es dann entlang einem anderen Weg ausgegeben wird. Der Weg, auf
dem die zweite Winkeloberfläche
das Licht ausgibt, wird in Abhängigkeit
von der Position des reflektierenden Elements der mikro-mechanischen
Vorrichtung ausgewählt. Das
reflektierende Element wird an wenigstens einem Gelenk in eine von
mehreren Positionen ausgelenkt. Die Anzahl der Positionen, die für das reflektierende
Element zur Verfügung
stehen, hängt
von der an den Elektroden angelegten Spannung ab. Das reflektierende
Element braucht keinen Kontakt mit irgendeiner anderen Oberfläche, und
daher kehrt es bei Stromverlust immer zu einer bekannten Position zurück.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, wird ein räumlicher Lichtmodulator gemäß der Erfindung bereitgestellt,
der im Querschnitt von oben nach unten aufweist: ein optisch lichtdurchlässiges Substrat; einen
ersten Spalt unterhalb des optisch lichtdurchlässigen Substrats; ein ablenkbares
Element unter dem ersten Spalt, einen zweiten Spalt unter dem ablenkbaren
Element und ein Gelenk unterhalb des zweiten Spaltes.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators umfasst das Gelenk einen flexiblen Abschnitt, wobei der
flexible Abschnitt durch das ablenkbare Element bei Blickrichtung über das
optisch lichtdurchlässige Substrat
von der Sicht verborgen ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators haben sowohl das optisch lichtdurchlässige Substrat als
auch das ablenkbare Element obere und untere Oberflächen, wobei
das Gelenk mit dem unteren Oberflächen von sowohl dem optisch
lichtdurchlässigen
Substrat als auch dem ablenkbaren Element verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des obigen, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat über Pfosten
verbunden, die sich von der unteren Oberfläche des optisch lichtdurchlässigen Substrats und
an dem ablenkbaren Element vorbei erstrecken.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators umfasst das Gelenk einen flexiblen Abschnitt, der
mit dem Pfosten verbunden ist und der sich über das ablenkbare Element
hinweg erstreckt und mit der unteren Oberfläche des ablenkbaren Elements
verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators umfasst er des Weiteren ein Schaltungssubstrat,
das unterhalb und unter Abstand von dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
angeordnet ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators wird das ablenkbare Element auf einer unteren Oberfläche des
optisch lichtdurchlässigen
Substrats gehalten, wobei das ablenkbare Element einen ersten und
einen zweiten Abschnitt hat, sodass während der Ablenkung des ablenkbaren
Elements der zweite Abschnitt des ablenkbaren Elements sich zu der
unteren Oberfläche
hin bewegt, wenn sich der erste Abschnitt von der unteren Oberfläche weg
bewegt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Schaltungssubstrat eine Elektrode auf,
um eine Anziehungskraft zwischen dem ablenkbaren Element und dem
Schaltungssubstrat zu erzeugen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators erstreckt sich das Gelenk über das ablenkbare Element
hinweg zwischen der Elektrode und dem ablenk baren Element und ist
mit dem ablenkbaren Element bei einem mittleren Abschnitt des ablenkbaren Elements
verbunden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist er ferner eine Adressierungsschaltung, die
in dem Schaltungssubstrat ausgebildet ist, und eine Elektrode auf,
die mit der Adressierungsschaltung verbunden ist, wobei die Elektrode
so positioniert ist, dass sie das ablenkbare Element wahlweise ablenkt, wenn
eine Vorspannung zwischen der Elektrode und dem ablenkbaren Element
angelegt wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der Modulator so konfiguriert, dass, wenn eine
erste elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren Element
und der Elektrode angelegt wird, das ablenkbare Element sich zu
einer abgelenkten Position bewegt und in der abgelenkten Position bleibt,
bis eine zweite elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren
Element und der Elektrode angelegt wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators umfasst das ablenkbare Element eine leitfähige Schicht.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element reflektierend.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element im Wesentlichen starr, und
das Gelenk ist flexibel.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk ein Torsionsgelenk.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der zweite Abschnitt des ablenkbaren Elements
so aufgebaut, dass er gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat
ansteht, um dadurch die Auslenkung des ablenkbaren Elements zu begrenzen.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, ist ein räumlicher Lichtmodulator gemäß der Erfindung
mit einem räumlichen
Lichtmodulator versehen, der ein optisch lichtdurchlässiges Substrat
aufweist, auf dem ein ablenkbares Element angeordnet ist, wobei
das ablenkbare Element ein Gelenk aufweist, das auf einer Seite
des ablenkbaren Elements gegenüber
der des optisch lichtdurchlässigen
Substrats angeordnet ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Gelenk einen flexiblen Abschnitt auf,
wobei der flexible Abschnitt durch das ablenkbare Element bei Blickrichtung über das
optisch lichtdurchlässige Substrat
von der Sicht verborgen ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk fluchtend gegenüber dem ablenkbaren Element
vorgesehen, und ein Spalt ist zwischen dem ablenkbaren Element und
dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat vorgesehen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators haben sowohl das optisch lichtdurchlässige Substrat als
auch das ablenkbare Element obere und eine untere Oberflächen, wobei
das Gelenk mit den unteren Oberflächen sowohl des optisch lichtdurchlässigen Substrats
als auch des ablenkbaren Elements verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat über Pfosten
verbunden, die sich von der unteren Oberfläche des optisch lichtdurchlässigen Substrats
und an dem ablenkbaren Element vorbei erstrecken.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Gelenk einen flexiblen Abschnitt auf,
der mit den Pfosten verbunden ist und der sich über das ablenkbare Element
hinweg erstreckt und mit der unteren Oberfläche des ablenkbaren Elements
verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist ein Spalt zwischen dem flexiblen Abschnitt des Gelenks
und dem ablenkbaren Element angeordnet.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist er ferner ein Schaltungssubstrat auf, das
unterhalb und unter Abstand von dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
angeordnet ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators wird das ablenkbare Element auf einer unteren Oberfläche des
optisch lichtdurchlässigen
Substrats gehalten, und das ablenkbare Element hat erste und zweite
Abschnitte, so dass während
er Auslenkung des ablenkbaren Elements der zweite Abschnitt des ablenkbaren
Elements sich zu der untern Oberfläche hin bewegt, wenn der erste
Abschnitt sich von der unteren Oberfläche weg bewegt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Schaltungssubstrat eine Elektrode auf,
um eine Anziehungskraft zwischen dem ablenkbaren Element und dem
Schaltungssubstrat zu erzeugen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element eine reflektierende Schicht
und eine Elektrodenschicht auf, die elektrisch leitend ist, wobei
die Elektrodenschicht von der reflektierenden Schicht beabstandet
ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist die Elektrodenschicht des ablenkbaren Elementes mit
der reflektierenden Schicht über
einen oder mehrere Pfosten oder dazwischen angeordnete Wände verbunden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators erstreckt sich das Gelenk über das ablenkbare Element
hinweg zwischen der Elektrode und dem ablenkbaren Element und es
ist mit dem ablenkbaren Element bei einem mittleren Teil des ablenkbaren Elements
verbunden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element im Wesentlichen rechteckig
oder quadratisch, und das Gelenk erstreckt sich über das ablenkbare Element
entlang einer Diagonalen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der Modulator so konfiguriert, dass, wenn eine
erste elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren Element
und der Elektrode angelegt wird, das ablenkbare Element sich zu
einer ausgelenkten Position bewegt und in der ausgelenkten Position verbleibt,
bis eine zweite elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren
Element und der Elektrode angelegt wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators wird das ablenkbare Element auf dem optisch lichtdurchlässigen Substrat über einen
oder mehrere Pfosten gehalten, wobei der eine oder die mehreren Pfosten
ein benachbartes, ablenkbares Element in dem räumlichen Lichtmodulator hält.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element und/oder die Elektrode
eine Vielzahl von Elektroden auf, die in der Lage sind, unterschiedliche
Vorspannungen aufzunehmen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element eine Vielzahl laminierter,
dielektrischer Trägerschicht
auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element Aluminium auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element im Wesentlichen starr, und
das Gelenk ist flexibel.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk ein Torsionsgelenk.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der zweite Abschnitt des ablenkbaren Elements
so konstruiert, dass es gegen das optisch lichtdurchlässig Substrat
ansteht, um dadurch die Auslenkung des ablenkbaren Elements zu begrenzen.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, wird ein räumlicher Lichtmodulator gemäß der Erfindung bereitgestellt,
der ein optisch lichtdurchlässiges
Substrat hat, welches auf einer unteren Oberfläche davon wenigstens ein ablenkbares
Element über
wenigstens ein entsprechendes Torsionsgelenk hält, wobei das ablenkbare Element
obere und untere, planare Oberflächen
und eine oder mehrere Kanten dazwischen hat, wobei das wenigstens
eine Torsionsgelenk mit dem ablenkbaren Element bei einem mittleren
Teil der unteren Oberfläche
des ablenkbaren Elements verbunden ist.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, wird ein räumlicher Lichtmodulator gemäß der Erfindung bereitgestellt,
der einen optisch lichtdurchlässiges Substrat
mit einer oberen Oberfläche
und einer unteren Oberfläche;
ein ablenkbares Element mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche und
einer oder mehreren Kantenflächen
und ein Gelenk aufweist, wobei das Gelenk mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
nur auf der unteren Oberfläche
des optisch lichtdurchlässigen
Substrats verbunden ist, und wobei das Gelenk mit dem ablenkbaren Element
nur auf der unteren Oberfläche
des ablenkbaren Elements verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Gelenk einen flexiblen Abschnitt auf,
wobei der flexible Abschnitt durch das ablenkbare Element bei Blickrichtung über das
optisch lichtdurchlässige Substrat
von der Sicht verborgen ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist ein erster Spalt zwischen dem Gelenk und dem ablenkbaren
Element vorgesehen, und ein zweiter Spalt ist zwischen dem ablenkbaren
Element und dem optisch lichtdurchlässigen Substrat vorgesehen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators haben sowohl das optisch lichtdurchlässige Substrat als
auch das ablenkbare Element obere und untere Oberflächen, und
das Gelenk ist mit den unteren Oberflächen sowohl des optisch lichtdurchlässigen Substrats
als auch des ablenkbaren Elements verbunden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat über Pfosten
verbunden, die sich von der unteren Oberfläche des optisch lichtdurchlässigen Substrats
und an dem ablenkbaren Element vorbei erstrecken.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Gelenk einen flexiblen Abschnitt auf,
der mit den Pfosten verbunden ist und der sich über das ablenkbare Element
erstreckt und mit der unteren Oberfläche des ablenkbaren Elements
verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist ein Spalt zwischen dem flexiblen Abschnitt des Gelenks
und dem ablenkbaren Element angeordnet.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist er ferner ein Schaltungssubstrat auf, das
unterhalb und unter Abstand von dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
angeordnet ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element auf einer unteren Oberfläche des
optisch lichtdurchlässigen
Substrats gehalten, und das ablenkbare Element hat erste und zweite
Abschnitte, so dass während
der Auslenkung des ablenkbaren Elements der zweite Abschnitt des ablenkbaren
Elements sich zu der unteren Oberfläche hin bewegt, wenn der erste
Abschnitt sich von der unteren Oberfläche weg bewegt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Schaltungssubstrat eine Elektrode zur
Erzeugung einer Anziehungskraft zwischen dem ablenkbaren Element
und dem Schaltungssubstrat auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist die Elektrode direkt unterhalb des ablenkbaren Elements
angeordnet.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist die Elektrode unterhalb des ablenkbaren Elementes
angeordnet, und ein Gelenk verbindet das ablenkbare Element mit
dem transparenten Substrat.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators erstreckt sich das Gelenk über das ablenkbare Element
zwischen der Elektrode und dem ablenkbaren Element und ist mit dem
ablenkbaren Element bei einem mittleren Abschnitt des ablenkbaren
Elements verbunden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist er ferner eine Adressierungsschaltung, die
in dem Schaltsubstrat ausgebildet ist, und eine Elektrode auf, die
mit der Adressierungsschaltung verbunden ist, wobei die Elektrode
so positioniert ist, dass sie wahlweise das ablenkbare Element auslenkt, wenn
eine Vorspannung zwischen der Elektrode und dem ablenkbaren Element
angelegt wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der Modulator so konfiguriert, dass, wenn eine
erste elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren Element
und der Elektrode angelegt wird, das ablenkbare Element sich zu
einer ausgelenkten Position bewegt und in der ausgelenkten Position bleibt,
bis eine zweite elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren
Element und der Elektrode angelegt wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators umfasst das ablenkbare Element eine leitfähige Schicht.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element reflektierend.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element eine strukturelle Trägerschicht
auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element Aluminium auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element im Wesentlichen starr und
das Gelenk ist flexibel.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk ein Torsionsgelenk.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der zweite Abschnitt des ablenkbaren Elementes so
konstruiert, dass es gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat
ansteht, um dadurch die Auslegung des ablenkbaren Elements zu begrenzen.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, wird ein räumlicher Lichtmodulator bereitgestellt,
der ein optisch lichtdurchlässiges
Substrat, das sich in einer Ebene im Wesentlichen horizontal erstreckt;
ein ablenkbares Element, das sich in einer Ebene im Wesentlichen
horizontal und unter Abstand und im Wesentlichen parallel zu dem
optisch transparenten Substrat erstreckt, und ein Bindeglied auf,
das eine auslenkbare Verbindung des ablenkbaren Elements zu dem
optisch transparenten Substrat hin gestattet, wobei das Bindeglied
ein erstes Ende, das an dem optisch transparenten Substrat befestigt
ist, einen vertikalen Abschnitt, der sich von ersten Ende und der
Ebene des ablenkbaren Elementes vorbei erstreckt, einen Gelenkabschnitt,
der sich in einer Eben im Wesentlichen parallel zu und unter Abstand
von dem ablenkbaren Element erstreckt, und ein zweites Ende aufweist,
das den Gelenkabschnitt mit dem ablenkbaren Element verbindet.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Gelenk einen flexiblen Abschnitt auf,
wobei der flexible Abschnitt durch das ablenkbare Element bei Blickrichtung über das
optische lichtdurchlässige Substrat
von der Sicht verborgen ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist ein erster Spalt zwischen dem Gelenk und dem ablenkbaren
Element vorgesehen, und ein zweiter Spalt ist zwischen dem ablenkbaren
Element und dem optisch lichtdurchlässigen Substrat vorgesehen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators habe sowohl das optisch lichtdurchlässige Substrat als
auch das ablenkbare Element obere und untere Oberflächen, wobei
das Gelenk mit den unteren Oberflächen sowohl des optisch lichtdurchlässigen Substrats
als auch des ablenkbaren Elements verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat über Pfosten
verbunden, die sich von der unteren Oberfläche des optisch lichtdurchlässigen Substrats
und einer dem ablenkbaren Element vorbei erstrecken.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Gelenk einen flexiblen Abschnitt auf,
der mit dem Pfosten verbunden ist und sich über das ablenkbare Element
erstreckt und mit der unteren Oberfläche des ablenkbaren Elements
verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist ein Spalt zwischen dem flexiblen Abschnitt des Gelenks
und dem ablenkbaren Element angeordnet.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist er ein Schaltungssubstrat auf, das unterhalb und
unter Abstand von dem optisch lichtdurchlässigen Substrat positioniert
ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators wird das ablenkbare Element auf einer unteren Oberfläche des
optisch lichtdurchlässigen
Substrats gehalten, und das ablenkbare Element hat erste und zweite
Abschnitte, so dass während
der Auslegung des ablenkbaren Elements der zweite Abschnitt des ablenkbaren
Elements sich zu der unteren Oberfläche hin bewegt, wenn der erste
Abschnitt sich von der unteren Oberfläche weg bewegt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das Schaltungssubstrat eine Elektrode auf,
um eine Anziehungskraft zwischen dem ablenkbaren Element und dem
Schaltungssubstrat zu erzeugen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Schaltungssubstrat ein opakes Siliziumsubstrat.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Siliziumsubstrat ein VLSI/CMOS Substrat.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators erstreckt sich das Gelenk über das ablenkbare Element
zwischen der Elektrode und dem ablenkbaren, Element, und es ist
an de ablenkbaren Element zu einem mittleren Teil des ablenkbaren
Elements hin verbunden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist er ferner eine in dem Schaltungssubstrat ausgebildete
Adressierungsschaltung auf, die einen DRAM mit niedriger Dichte
darstellt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der Modulator so konfiguriert, dass, wenn eine
erste elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren Element
und der Elektrode angelegt wird, das ablenkbare Element sich zu
einer ausgelenkten Position bewegt und in der ausgelenkten Position bleibt,
bis eine zweite elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ablenkbaren
Element und der Elektrode angelegt wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element LPCVD-abgeschiedenes
Siliziumnitrid, Siliziumoxid, amorphes Silizium oder Polysilizium
auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element ferner eine leitfähige und
reflektierende Metallschicht auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element eine Laminat-Tragestruktur
auf, die eine Vielzahl von strukturellen Trägerschichten aufweist, die
zwischen der leitfähigen und
reflektierenden Metallschicht und dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
angeordnet sind.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators weist das ablenkbare Element Aluminium auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das ablenkbare Element im Wesentlichen starr und
das Gelenk ist flexibel.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist das Gelenk ein Torsionsgelenk.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden, räumlichen
Lichtmodulators ist der zweite Abschnitt des ablenkbaren Elements
so konstruiert, dass er gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat
ansteht, um dadurch die Auslenkung des ablenkbaren Elements zu begrenzen.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, weist ein Projektionsdisplaysystem
eine Lichtquelle und ein Feld von räumlichen Lichtmodulatoren nach
einem der vorstehenden Aspekte auf.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, umfasst ein Verfahren gemäß der Erfindung
die folgenden Vorgänge:
Bereitstellen eines Substrats; Bilden einer ersten Opferschicht über dem
lichtdurchlässigen
Substrat; Bilden einer Schicht aus ablenkbaren Elementen über der
ersten Opferschicht; Bilden einer zweiten Opferschicht über der
Schicht aus ablenkbaren Elementen; Bilden eines Gelenks über der
zweiten Opferschicht und Entfernen der ersten und zweiten Opferschicht.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens ist das Gelenk ausgebildet, um sowohl
das Substrat als auch die Schicht aus ablenkbaren Elementen zu verbinden, das
nach dem Entfernen der ersten und der zweiten Opferschicht das ablenkbare
Element ablenkbar mit dem Substrat verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens ist das Substrat ein lichtdurchlässiges Substrat,
um es einem Lichtstrahl zu ermöglichen,
hindurch zu treten, und wobei das ablenkbare Element zum Ablenken
des Lichtstrahls angeordnet ist.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens umfasst es ferner den Vorgang, einen
Abschnitt der zweiten Opferschicht vor der Ausbildung des Gelenks
zu entfernen, so dass beim Ausbilden des Gelenks das Gelenk über den
entfernten Abschnitt mit dem ablenkbaren Element verbunden ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weist die Schicht aus ablenkbaren Elementen
ein reflektierendes Material auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weist die Schicht aus ablenkbaren Elementen
eine Lichtreflektierende und leitfähige Schicht auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens ist das lichtdurchlässige Substrat Glas.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weisen die ersten und zweiten Opferschichten
Silizium auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weist das Gelenk Siliziumnitrid auf.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weist es ferner den Vorgang auf, das
die Schicht aus ablenkbaren Elementen vor der Ausbildung der zweiten
Opferschicht mit einem Muster versehen wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weist es ferner den Vorgang auf, dass
das Gelenk vor dem Entfernen der Opferschichten als Muster gebildet
wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens werden die Opferschichten mit einem
Edelgas-Fluorid und/oder einem Halogenfluorid entfernt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens wird ein Teil der Opferschichten mit
Plasma und ein Teil der Opferschichten mit einem Nicht-Plasma Dampfätzen entfernt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens weist es ferner den Vorgang auf, dass
ein Schaltungssubstrat ausgebildet wird und dass das Schaltungssubstrat
mit dem Substrat verbunden wird, an dem das ablenkbare Element ablenkbar
gekoppelt ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des vorstehenden Verfahrens wird ein räumlicher Lichtmodulator ausgebildet.
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Folglich
stellen die vorliegende Erfindung oder deren bevorzugte Ausführungsbeispiele
respektive einen räumlichen
Lichtmodulator bereit, der ein höhere
Auflösung
und einen vergrößerten Füllfaktor hat.
Die vorliegende Erfindung liefert auch einen räumlichen Lichtmodulator, der
ein vergrößertes Kontrastverhältnis hat.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner einen räumlichen Lichtmodulator, der
ohne polarisiertes Licht arbeitet und der eine verbesserte elektro-mechanische
Arbeitsweise und eine Robustheit in Bezug auf seine Herstellung
hat.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hat der räumliche Lichtmodulator ein
optisch lichtdurchlässiges
Substrat und ein Halbleitersubstrat. Ein Feld von ablenkbaren Elementen
sind von unterhalb des optisch lichtdurchlässigen Substrats aufgehängt und
sind direkt gegenüber
dem Halbleitersubstrat positioniert. Das Halbleitersubstrat umfasst
ein Feld von Elektroden und elektronischen Schaltungen, um die einzelnen,
reflektierenden Elemente durch eine elektrostatische Kraft wahlweise
auszulenken. Im Betrieb werden, wenn ein individuelles, reflektierendes
Element ausgelenkt wird, Lichtstrahlen räumlich moduliert, die durch
das optisch lichtdurchlässige
Substrat einfallen und durch es hindurch zurückreflektiert werden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
hat jedes reflektierende Element eine vordere Oberfläche, die
dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat zugewandt ist und eine rückseitige Oberfläche, die
dem Halbleitersubstrat zugewandt ist. Jedes reflektierende Element
ist ablenkbar an dem optisch lichtdurchlässigen Substrat mit Hilfe einer
Spiegel-Tragestruktur befestigt. Die Spiegel-Tragestruktur umfasst
einen oder mehrere Kontaktpunkte, die (direkt oder indirekt) an
dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat befestigt sind. Die Spiegel-Tragestruktur umfasst auch
ein Torsionsgelenk, das sich über
die rückseitige
Oberfläche
des reflektierenden Elements erstreckt und daran an einer oder mehreren
Stellen befestigt ist.
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Die
Spiegel-Tragestruktur von einem Ausführungsbeispiel ist mit Auslenkungsstoppern
verstärkt,
die konfiguriert sind, um eine Auslenkung des reflektierenden Elements über einen
vorgegebenen Auslenkungswinkel hinaus entgegenwirken. Insbesondere
sind die Auslenkungsstopper so konfiguriert, dass, wenn das reflektierende
Element bis zu einem vorgegebenen Auslenkungswinkel ausgelenkt wird, das
reflektierende Element in Kontakt mit den Auslenkungsstoppern kommen
kann. Zusätzlich
kommt ein Ende des reflektierenden Elements in Kontakt mit dem optisch
lichtdurchlässigen
Substrat. Auf diese Weise wird die mechanische Robustheit der Spiegel-Tragestruktur
erheblich verbessert. Darüber
hinaus wird der Kontrast des räumlichen
Lichtmodulators aufgrund einer größeren Möglichkeit der Kontrolle des
Auslenkungswinkels der reflektierenden Elemente erhöht. Das
reflektierende Element des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann auch einen
oder mehrere Höcker
umfassen, die entlang einer das Substrat berührenden Kante angeordnet sind,
so dass die Kontaktfläche
zwischen dem reflektierenden Element und dem Substrat reduziert
wird.
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In
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ausführungsbeispiel
der Spiegel-Tragestruktur eine Anziehungselektrode, die an der rückseitigen
Oberfläche
des reflektierenden Elements befestigt ist. Wenn eine Vorspannung
zwischen der Anziehungselektrode und der entsprechenden Betätigungselektrode
auf dem Halbleitersubstrat angelegt wird, wird die Anziehungselektrode
in Richtung zu der Betätigungselektrode
hingezogen, was bewirkt, dass das reflektierende Element ausgelenkt
wird. In einem Ausführungsbeispiel
sind die Spiegel-Tragestruktur und die Anziehungselektrode aus dem
gleichen leitfähigen
Laminat zusammengesetzt. Daher muss das reflektierende Element nicht
leitfähig
sein (obwohl das leitfähige
Element in einem anderen Ausführungsbeispiel
leitfähig
sein und als Elektrode wirken kann). Folglich können die mechanischen und Reflektionseigenschaften
des reflektierenden Elements ohne Rücksicht auf die Leitfähigkeit
optimiert werden. Die Herstellungsflexibilität wird ebenfalls erhöht, weil
das vorliegende Ausführungsbeispiel
keinen Metallbeschichtungsschritt nach der Entfernung der Silizium-Opferschicht
erfordert.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung umfassen das Vorstehende und umfassen ferner
ein Herstellungsverfahren für
einen räumlichen
Lichtmodulator. In einem Ausführungsbeispiel umfasst
das Verfahren die Schritte (a) Abscheiden einer Opferschicht (beispielsweise
Silizium) auf einem optisch lichtdurchlässigen Substrat; (b) Abscheiden eines
reflektierenden Laminats auf der Opferschicht; (c) Musterätzen des
reflektierenden Laminats, um ein reflektierendes Element zu definieren;
(d) Abscheiden einer weiteren Opferschicht (beispielsweise Silizium),
(e) Musterätzen
der zweiten Opferschicht, um einen Abschnitt des reflektierenden
Elements freizulegen; (f) Ätzen
eines Musters von Löchern
durch die Opferschichten, so dass nachfolgende Schichten an dem
optisch lichtdurchlässigen
Substrat über die
Löcher
befestigt werden können;
(g) Abscheiden einer Gelenk-Elektroden-Laminatschicht auf der zweiten Opferschicht
und auf dem freiliegenden Abschnitt des reflektierenden Elements;
(h) Musterätzen
des Gelenk-Elektroden-Laminats, um eine Gelenk-Elektrode zu definieren,
die an dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat durch die Löcher
befestigt ist und die an dem freiliegenden Abschnitt des reflektierenden Elements
befestigt ist; (i) Ätzen
der ersten Opferschicht und der zweiten Opferschicht, um das reflektierende
Element freizusetzen; (j) Bilden einer Adressierungsschaltung und
Elektroden auf einem Halbleitersubstrat; und (k) Ausrichten und
Verbinden des optisch lichtdurchlässigen Substrats und des Halbleitersubstrats.
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Im
Querschnitt hat der räumliche
Lichtmodulator ein optisch lichtdurchlässiges Substrat, einen ersten
Spalt unterhalb des optisch lichtdurchlässigen Substrats, ein ablenkbares
Element unterhalb des ersten Spalts, einen zweiten Spalt unterhalb
des ablenkbaren Elements, ein Gelenk unterhalb des zweiten Spalts,
einen dritten Spalt unterhalb des Gelenks und ein zweites Substrat
(beispielsweise Schaltung) unterhalb des dritten Spalts. Das Gelenk
ist im Wesentlichen insgesamt von der Sicht durch das ablenkbare
Element blockiert (bei Blickrichtung durch das optisch lichtdurchlässige Substrat).
Als solches ist das Gelenk auf einer Seite des ablenkbaren Elements
gegenüberliegend
zu der des optisch lichtdurchlässigen
Substrats angeordnet. Das Gelenk ist mit der unteren Oberfläche des
ablenkbaren Elements verbunden (nicht an den Kanten des ablenkbaren
Elementes in den meisten Fällen).
Pfosten oder Wände
können
vorgesehen sein, die sich von dem Gelenk zu dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
erstrecken. Das Gelenk kann sich über die Mitte des ablenkbaren
Elements erstrecken, wobei der gleiche Bereich des ablenkbaren Elements
auf jeder Seite vorhanden ist (oder das Gelenk könnte das ablenkbare Element
in anderer Weise unterteilen, beispielsweise 1/3 auf einer Seite
und 2/3 auf der anderen). Wenn einige ablenkbare Elemente sich auf
jeder Seite des Gelenks erstrecken, führt die Bewegung von einer
Seite des ablenkbaren Elements in eine Richtung zu einer Bewegung
auf der anderen Seite des ablenkbaren Elements in der anderen Richtung.
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Das
Gelenk kann auch fluchtend gegenüber dem
ablenkbaren Element vorgesehen sein (obwohl dennoch das ablenkbare
Element sich zwischen dem Gelenk und dem optisch lichtdurchlässigen Substrat befindet).
Vorzugsweise ist das Gelenk jedoch mit einem mittleren Abschnitt
des ablenkbaren Elements so verbunden, dass ein längliches
Gelenk ermöglicht wird
(wodurch die Durchbiegung, die Torsion und/oder die Spannungsbeanspruchung
auf jeder Seite des Gelenks reduziert wird). Das ablenkbare Element
kann mit einer Laminat-Tragestruktur versehen werden, die mehrere
Schichten aus dielektrischem Material aufweisen kann. Das ablenkbare
Element kann auch eine Schicht aufweisen, die sowohl reflektierend
als auch leitfähig
ist, beispielsweise eine Metallschicht (beispielsweise Gold oder Aluminium)
oder separate reflektierende und leitfähige Schichten. Das ablenkbare
Element und das Gelenk können
durch LPCVD-Abscheidung hergestellt werden, während das Schaltungssubstrat,
das zur Betätigung
des ablenkbaren Elements verwendet wird, unter Verwendung von Standard-VLSI/CMOS-Verfahren
hergestellt werden kann.
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die in die Beschreibung einbezogen werden und Teil
derselben bilden, zeigen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung
dazu, die Prinzipien der Erfindung er erläutern.
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1 zeigt
eine ablenkbare Mikro-Spiegelstruktur, die als Teil eines räumlichen
Lichtmodulators gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann.
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2 zeigt
eine Explosionsdarstellung der ablenkbaren Mikro-Spiegelstruktur
von 1.
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3A und 3B zeigen
einen Auslenkungs-Stoppmechanismus, der Mikro-Spiegelstruktur von 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Herstellungsverfahrens
zur Herstellung von Mikro-Spiegelstrukturen
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5A zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem Teil eines
Substrats nach einem Spiegel-Bemusterungsschritt des Herstellungsverfahrens
von 4.
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5B zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem Teil eines
Substrats nach einem Ätzschritt
bei dem Herstellungsverfahren von 4.
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5C zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem Abschnitt
eines Substrates nach einem weiteren Ätzschritt des Herstellungsverfahrens
von 4.
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6 zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem kleinen
Abschnitt eines beispielhaften Spiegelfeldes, das eine Mikro-Spiegelstruktur
von 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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7A zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung einer ablenkbaren
Mikro-Spiegelstruktur gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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7B zeige
eine Seitenansicht der ablenkbaren Mikro-Spiegelstruktur von 7A.
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8 zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem kleinen
Abschnitt eines beispielhaften Spiegelfeldes, das eine Mikro-Spiegelstruktur
von 7A gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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9 zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung einer ablenkbaren
Mikro-Spiegelstruktur gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem kleinen
Abschnitt eines beispielhaften Spiegelfeldes, das eine Mikro-Spiegelstruktur
von 9 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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11 zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung einer ablenkbaren
Mikro-Spiegelstruktur gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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12 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wo Auslenkungs-Stoppmechanismen separat von der Pfosten-
und Gelenk-Anordnung vorgesehen sind.
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13 zeigt
ein Ausführungsbeispiel ähnlich zu
dem, das in 12 gezeigt ist, mit Flexionsgelenken
statt Torsionsgelenken.
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In
der folgenden, detaillierten Beschreibung werden zum Zwecke der
Erläuterung
zahlreiche spezielle Details dargelegt, um ein gründliches
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Es ist jedoch für den Durchschnittsfachmann
ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Details
ausgeführt
werden kann. In anderen Fällen sind
wohl bekannte Strukturen und Vorrichtungen nicht im Detail beschrieben,
um eine Verschleierung der Aspekte der vorliegenden Erfindung zu
vermeiden.
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Folglich
liefert die vorliegende Erfindung eine SLM-Struktur, die einen verbesserten
Füll- oder Nutzfaktor
(das heißt,
das Verhältnis
zwischen reflektierenden Bereichen und nicht reflektierenden Bereichen) hat.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine ablenkbare Mikro-Spiegelstruktur,
die es nicht erfordert, dass die Spiegelplatte leitfähig ist.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Mikro-Spiegelstruktur,
die mechanisch robust und leicht herzustellen ist. Diese und andere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher in der folgenden
Beschreibung.
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1 zeigt
eine ablenkbare Mikro-Spiegelstruktur 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt
eine Explosionsdarstellung der ablenkbaren Mikro-Spiegelstruktur 100.
Es ist zu beachten, dass die Mikro-Spiegelstruktur 100 Teil
eines Spiegelfeldes ist. Zur Vereinfachung sind jedoch andere Mikro-Spiegelstrukturen des
Feldes nicht in 1 gezeigt. Es ist zu beachten, dass
die Anzahl der Spiegelstrukturen in einem Spiegelfeld sehr groß sein kann.
Beispielsweise kann in einer typischen SLM-Anordnung mit 1024 × 768 Pixel das
Spiegelfeld mehr als 750000 Mikro-Spiegelstrukturen haben. Zusätzlich sollte
beachtet werden, dass das Halbleitersubstrat, das die elektronische
Schaltung zur Betätigung
der Mikro-Spiegelstruktur 100 enthält, in den 1 und 2 nicht
gezeigt ist, um eine Verschleierung der vorliegenden Aspekte der vorliegenden
Erfindung zu vermeiden.
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In
dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist eine Spiegelplatte 120 der Mikro-Spiegelstruktur 100 oberhalb
des optisch lichtdurchlässigen
Substrats 110 mit Hilfe einer Spiegel-Tragestruktur 130 aufgehängt und
auslenkbar daran gekoppelt. Die Spiegelplatte 120 hat eine
reflektierende, vordere Oberfläche,
die dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 110 zugewandt ist, und eine rückseitige Oberfläche, die
dem Halbleitersubstrat zugewandt ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Spiegelplatte 120 im Wesentlichen starr und kann aus
einem Laminat hergestellt sein, das Schichten aus Siliziumnitrid
und Aluminium hat.
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Noch
unter Bezugnahme auf die 1 und 2 umfasst
die Spiegel-Tragestruktur 130 zwei Gelenkträger 136 und 138,
die an dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 110 befestigt sind. Die Spiegel-Tragestruktur 130 weist
auch ein Torsionsgelenk 134 auf, das an der rückseitigen
Oberfläche
der Spiegelplatte 120 befestigt ist und sich darüber hinweg
erstreckt. An der rückseitigen
Oberfläche
der Spiegelplatte 120 ist auch eine Elektrode 132 befestigt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Elektrode 132 elektrisch leitend und ist mit dem
Torsionsgelenk 134 über
einen Träger 137 verbunden.
Der Träger 137 ist,
wie gezeigt, kürzer
als die Gelenkträger 136 und 138,
so dass die Spiegelplatte 120 in nicht-ausgelenktem Zustand
von dem Substrat 110 beabstandet ist.
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In
den 1 und 2 sind auch Auslenkungsstopper 131 und 133 gezeigt,
die konfiguriert sind, um einer Auslenkung der Spiegelplatte 120 über einen
vorgegebenen Auslenkungswinkel hinaus entgegen zu wirken. Insbesondere,
wenn die Spiegelplatte 120 bis zu einem vorgegebenen Auslenkungswinkel
abgelenkt wird, kommt ein Teil der Spiegelplatte 120 in
Kontakt mit den Auslenkungsstoppern 131 und 133.
Zusätzlich
ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Mikro-Spiegelstruktur 100 so konfiguriert, dass, wenn
die ausschwenkende Spiegelplatte 120 in Kontakt mit den
Auslenkungsstoppern 131 und 133 kommt, die Spiegelplatte 120 auch
in Kontakt mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat 110 kommt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst die Spiegelplatte 120 Höcker 122 und 124,
die entlang der das Substrat berührenden Kante
so angeordnet sind, dass die Kontaktfläche zwischen der Spiegelplatte 120 und
dem Substrat 110 reduziert wird.
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Die 3A und 3B zeigen
einen Auslenkungsstoppmechanismus der Mikro-Spiegelstruktur 100 entsprechend
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 3A zeigt
eine Seitenansicht der Mikro-Spiegelstruktur 100, wenn
die Spiegelplatte 120 nicht ausgelenkt ist. 3B zeigt
eine Seitenansicht der Mikro-Spiegelstruktur 100, wenn die
Spiegelplatte 120 bis zu einem vorgegebenen Auslenkungswinkel θ ausgelenkt
ist. Auch das Halbleitersubstrat 310 und eine oder mehrere
Anziehungselektroden 320 der ablenkbaren Spiegelplatte 120 sind
gezeigt.
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Wie
in 3A gezeigt ist, wird die Spiegelplatte 120,
wenn sie nicht ausgelenkt ist, oberhalb des optisch lichtdurchlässigen Substrats 110 gehalten.
Wenn jedoch, wie in 3B gezeigt ist, eine Vorspannung
zwischen der Anziehungselektrode 320 und der Elektrode 130 angelegt
wird, wird eine elektrostatische Kraft F erzeugt, die bewirkt, dass
die Spiegelplatte 120 zu dem Halbleitersubstrat 310 ausgelenkt
wird. Die Auslenkung der Spiegelplatte 120 wird bei einem
vorgegebenen Kippwinkel oder Auslenkungswinkel θ gestoppt. Wie in 3B gezeigt
ist, kommt die Spiegelplatte 120 in Kontakt mit den Auslenkungsstoppern 131/133,
und die Höcker 122/124 kommen
an dem Kippwinkel θ in
Kontakt mit dem Substrat 110.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist der Kippwinkel θ,
an dem die Höcker 122/124 in
Kontakt mit dem Substrat 110 kommen, näherungsweise 15°. Es ist
jedoch zu beachten, dass der Kippwinkel θ von der Geometrie und den
Abmessungen der Mikro-Spiegelstruktur abhängt, und dass viele andere
Kippwinkel im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Ferner ist
zu beachten, dass der Winkel, bei dem die Spiegelplatte 120 in
Kontakt mit dem Auslenkungsstoppern 131/133 kommt,
sich erheblich von dem Winkel unterscheiden kann, bei dem die Höcker 122/124 in
Kontakt mit dem Substrat 110 kommen. Beispielsweise können in
einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Auslenkungsstopper als Sicherheit
gegen eine übermäßige Streckung
des Torsionsgelenkes verwendet werden. Daher kann in dem Ausführungsbeispiel
der Winkel, bei dem die Spiegelplatte in Kontakt mit den Auslen kungsstoppern
kommt, etwas größer als
der Winkel sein, bei dem die Spiegelplatte in Kontakt mit dem Substrat
kommt. Es können
auch nur die Auslenkungsstopper zum Stoppen der Bewegung der Spiegelplatte
verwendet werden. Daher ist ersichtlich, dass vorzugsweise zwei
Stoppmechanismen vorhanden sind (beispielsweise der Stopp gegen
das Substrat und der Stopp gegen den Auslenkungsstopper). Das ablenkbare
Element kann gegen beide Stoppmechanismen gleichzeitig stoßen, oder
einer der Stoppmechanismen kann ein „Reserve"-Stoppmechanismus und so konstruiert
sein, dass er das ablenkbare Element bei einem größeren Auslenkungswinkel
stoppt als der Hauptstoppmechanismus (beispielsweise in dem Fall,
wo der Hauptmechanismus versagt, das ablenkbare Element sich über die
Zeit verändert
usw.).
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Ein
kleiner Abschnitt eines beispielhaften Spiegelfeldes 600 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt. Wie
dargestellt ist, ist, weil die Torsionsgelenke auf der rückseitigen
Oberfläche
der Spiegelplatten befestigt sind, der Füllfaktor des Feldes 600 sehr
hoch. Nahezu die gesamte Oberfläche
des optisch lichtdurchlässigen
Substrats 610 kann mit reflektierenden Oberflächen überdeckt
sein.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Herstellungsverfahrens 400 zum
Herstellen von Mikro-Spiegelstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden die Mikro-Spiegelstrukturen (beispielsweise die Struktur 100)
auf der Oberseite eines optisch lichtdurchlässigen Substrats (beispielsweise
Substrat 110) ausgebildet, das aus Glas oder anderen Materialien
hergestellt ist, die die nachfolgenden Verarbeitungstemperaturen
aushalten können.
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Wie
in 4 gezeigt ist, werden an dem Schritt 410 eine
erste Opferschicht (beispielsweise aus Silizium) auf dem optisch
lichtdurchlässigen
Substrat abgeschieden. In der vorliegenden Erfindung ist die erste
Opferschicht aus Silizium etwa 5000 Å bis 8000 Å (oder sogar über 20000 Å) dick.
Andere Opfermaterialien (beispielsweise Polymere) als Silizium könnten verwendet
werden.
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Bei
dem Schritt 420 wird ein Spiegellaminat auf der ersten
Opferschicht abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel umfasst das
Spiegellaminat eine Schicht aus Aluminium, die zwischen zwei Schichten
aus Siliziumnitrid angeordnet ist. In anderen Ausführungsbeispielen
kann das Spiegellaminat eine Schicht aus Aluminium und eine Schicht
aus Siliziumnitrid umfassen. Es kann auch eine vielschichtige Anordnung
mit mehreren Schichten aus Aluminium und/oder Siliziumnitrid verwendet
werden. Andere Materialien (beispielsweise leitfähige und reflektierende Metalle)
können
neben Aluminium verwendet werden. Andere Materialien neben Siliziumnitrid
werden auch in Betracht gezogen (beispielsweise Siliziumdioxid).
In einer typischen Ausführung
ist jede Siliziumnitridschicht etwa 1400 Å dick, und die Aluminiumschicht
ist etwa 700 Å dick.
Um die Reflektionseigenschaft des Spiegellaminats zu verbessern,
können
weiterhin eine oder mehrere dielektrische Filme, die als reflektierende
Beschichtung wirken, auf dem Spiegellaminat abgeschieden werden.
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An
dem Schritt 430 wird das Spiegellaminat mit einem Muster
versehen, um eine Spiegelplatte zu definieren. Eine isometrische,
perspektivische Darstellung eines Teils eines Substrats nach dem
Schritt 430 ist in 5A gezeigt.
Insbesondere sind ein optisch lichtdurchlässiges Substrat 511,
eine Opferschicht 512 und eine Spiegelplatte 513 gezeigt.
Es ist auch zu beachten, dass bei einer typischen SLM-Ausführung gemäß der vorliegenden
Erfindung ein gesamtes Feld von Mikro-Spiegel gleichzeitig hergestellt
wird. Der Einfachheit halber werden die anderen Spiegelplatten,
die auf dem Substrat 511 ausgebildet werden, nicht gezeigt.
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Unter
Bezugnahme wiederum auf 4 wird an dem Schritt 440 eine
zweite Silizium-Opferschicht auf der Oberseite der ersten Silizium-Opferschicht und
der Spiegelplatte abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel ist die zweite
Silizium-Opferschicht etwa 2500–5000 Å dick.
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Sodann
werden an dem Schritt 450 die Silizium-Opferschichten nach
Muster geätzt,
um einen Abschnitt der Spiegelplatte freizulegen und zwei Löcher zu
erzeugen, die es ermöglichen,
dass nachfolgende Schichten an dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
befestigt werden können.
Eine isometrische, perspektivische Darstellung von einem Abschnitt
des Substrats 511 nach dem Ätzschritt 450 ist in 5B gezeigt.
Insbesondere sind ein optisch lichtdurchlässiges Substrat 511,
eine Opferschicht 512, eine Spiegelplatte 513 und
eine weitere Opferschicht 514, die mit einem Muster versehen
ist, um einen Abschnitt des Spiegels 513 freizulegen, dargestellt.
Weiterhin sind zwei Löcher 516 und 518 dargestellt,
die ebenfalls nach Muster in die Opferschichten 512 und 514 geätzt werden,
so dass nachfolgende Schichten durch die Löcher 516 und 518 hindurch
auf dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 511 abgeschieden werden können.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
wie es in 5B gezeigt ist, ist ein erheblicher
Abschnitt der Spiegelplatte 513 freigelegt, so dass nachfolgende Schichten
daran befestigt werden können.
Es ist jedoch zu beachten, dass es eine Option ist, einen erheblichen
Abschnitt der Spiegelplatte 513 freizulegen. In einem anderen
Ausführungsbeispiel
können mehrere Öffnungen
nach Muster durch die zweite Opfer schicht geätzt werden, so dass nachfolgende Schichten über die Öffnungen
an der Spiegelplatte befestigt werden können.
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Bei
dem Schritt 460 wird ein Gelenk-Elektroden-Laminat auf
der Oberseite der zweiten Opferschicht abgeschieden. Besonders in
einem Ausführungsbeispiel überdeckt
das Gelenk-Elektroden-Laminat den freiliegenden Abschnitt der Spiegelplatte und
Abschnitte des optisch lichtdurchlässigen Substrats durch die
an dem Schritt 450 ausgebildeten Löcher. In der vorliegenden Erfindung
umfasst das Gelenk-Elektroden-Laminat
eine 500 Å Schicht
aus Siliziumnitrid und eine 500 Å Schicht aus Aluminium. Andere
Metalle können
das Aluminium ersetzen, beispielsweise Titan oder Titannitrid. Andere
Laminatmaterialien, die als Leiter dienen können und gute mechanische Eigenschaften
haben, können
ebenfalls verwendet werden. Andere Metalle, die sowohl leitfähig als
auch reflektierend sind, könnten
ausgebildet werden. Eine leitfähige
Schicht könnte
auch aus einem Metall und eine separate metallische oder nicht-metallische Reflektionsschicht
oder -Schichten (beispielsweise zwei Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes)
könnten
ausgebildet werden.
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An
dem Schritt 470 wird das Gelenk-Elektroden-Laminat geätzt, um
eine Spiegel-Tragestruktur zu bilden. Eine isometrische, perspektivische
Darstellung von einem Teil des Substrats 511 nach dem Ätzschritt 470 ist
in 5C gezeigt. Das optisch lichtdurchlässige Substrat 511,
die Opferschicht 512, die Spiegelplatte 513 (nicht
freigelegt), eine andere Opferschicht 514 und die Spiegel-Tragestruktur 515 sind
in 5C gezeigt. Die Spiegel-Tragestruktur 515 hat,
wie gezeigt ist, einen Elektrodenabschnitt, der an der Spiegelplatte 513 befestigt
ist, und eine Spiegel-Tragestruktur, die an dem optisch lichtdurchlässigen Substrat 511 befestigt
ist.
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An
dem Schritt 480 werden die Silizium-Opferschichten weggeätzt, um
die Spiegelplatte freizulegen. Die resultierende Mikro-Spiegelstruktur
ist ähnlich
der Mikro-Struktur 100 und ist bereit, um mit einem Halbleitersubstrat,
das Elektroden und die elektronische Schaltung enthält, in der
Art eines Sandwich zusammengefügt
zu werden, um eine Lichtventilvorrichtung zu bilden. Das Verfahren
zur Herstellung des Halbleitersubstrats für die Betätigung der Mikro-Spiegelstruktur
ist in dem US-Patent 5,835,256 und der parallel dazu anhängigen Patentanmeldung
09/160,361 beschrieben, die durch Bezugnahme einbezogen werden und
daher hier nicht diskutiert werden, um eine Verschleierung der Aspekte
der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
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7A zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung einer ablenkbaren
Mikro-Spiegelstruktur 700 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 7B zeigt
eine Sei tenansicht der ablenkbaren Mikro-Spiegelstruktur 700.
Die ablenkbare Mikro-Spiegelstruktur 700 kann durch ein
Verfahren ähnlich
dem Verfahren 400 hergestellt werden. Es ist zu beachten,
dass die Mikro-Spiegelstruktur 700 typischerweise
als Teil eines Spiegelfeldes hergestellt wird, das viele Spiegel
enthalten kann. Der Einfachheit halber sind andere Spiegelstrukturen
des Spiegelfeldes in den 7A und 7B gezeigt.
Das Spiegelfeld kann aus einer große Anzahl von Mikro-Spiegelstrukturen
hergestellt sein. Ein kleiner Abschnitt eines beispielhaften Spiegelfeldes 800 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 8 gezeigt.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine Spiegelplatte 720 mit einem optisch lichtdurchlässigen Substrat 710 mit
Hilfe einer Spiegel-Tragestruktur ablenkbar gekoppelt und darüber aufgehängt. Wie
in 7A gezeigt ist, umfasst die Spiegel-Tragestruktur
ein Torsionsgelenk 734, das sich diagonal über zwei
Ecken der Spiegelplatte 720 erstreckt. Ferner ist das Torsionsgelenk 734 mit
Elektroden 732A und 732B verbunden, die symmetrisch zu
dem Torsionsgelenk 734 sind. Die Spiegelplatte 720 ist
an den Elektroden 732A und 732B befestigt.
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Unter
Bezugnahme auf 7B sind die Elektroden 732a und 732b mit
den Elektroden 750a bzw. 750b des Halbleitersubstrats 740 ausgerichtet. Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
werden die Elektroden 732a und 732b auf einer
konstanten Spannung gehalten. Um eine Spiegelplatte 720 auszulenken,
kann eine Vorspannung an die Elektrode 750a angelegt werden,
um die Elektrode 732a zu der Elektrode 750a hin
zu ziehen, oder eine Vorspannung kann an die Elektrode 750b angelegt
werden, um die Elektrode 732b zu der Elektrode 750b hin
zu ziehen.
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Die
Auslenkung der Spiegelplatte 720 wird gestoppt, wenn eine
Ecke der Spiegelplatte 720 in Kontakt mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat 710 kommt.
Zusätzlich
kann die Spiegelplatte 720 in Kontakt mit dem Torsionsgelenk 734 kommen.
Somit ist hinter dem Ausführungsbeispiel,
das in den 7A und 7B gezeigt
ist, die Mikro-Spiegelstruktur 700 so ausgeführt, dass
der Auslenkung der Spiegelplatte 720 über einen vorgegebenen Auslenkungswinkel
hinaus ein Widerstand entgegengesetzt wird.
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9 zeigt
eine isometrische, perspektivische Darstellung einer ablenkbaren
Mikro-Spiegelstruktur 900 gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Mikro-Spiegelstruktur 900 wird typischerweise
als Teil eines Spiegelfeldes mit einer großen Anzahl von Spiegeln hergestellt.
Ein kleiner Abschnitt eines beispielhaften Mikro-Spiegelfeldes 1000 gemäß dem einen Ausführungsbeispiel
ist in 10 gezeigt.
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Unter
Bezugnahme auf 9 ist eine Spiegelplatte 920 mit
dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 910 mit Hilfe einer Spiegel-Tragestruktur 930 ablenkbar
gekoppelt und darüber
aufgehängt.
Die Spiegel-Tragestruktur 930 umfasst ein Torsionsgelenk 934,
das sich über
zwei Ecken der Spiegelplatte 920 erstreckt. Das Torsionsgelenk 934 ist,
wie dargestellt ist, an der Spiegelplatte 920 mit Hilfe
der Halterung 937 befestigt. In 9 ist ebenfalls
eine Elektrode 932 gezeigt, die elektrisch mit dem Torsionsgelenk 934 verbunden
und damit ko-planar ist. Die Elektrode 932 ist an der Spiegelplatte 920 mit
Hilfe der Träger 936 verbunden.
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11 zeigt
eine ablenkbare Mikro-Spiegelstruktur 1100 gemäß einem
noch weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. In dem Beispiel, wie es in 11 gezeigt
ist, ist eine Spiegelplatte 1120 der Mikro-Spiegelstruktur 1100 mit
dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 1110 mit Hilfe einer Spiegel-Tragestruktur 1130 ablenkbar
gekoppelt und darüber
aufgehängt.
Die Spiegelplatte 1120 hat eine reflektierende, vordere
Oberfläche,
die dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 1110 zugewandt ist, und eine rückseitige Oberfläche, die
dem Betätigungs-Schaltungssubstrat
zugewandt ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Spiegelplatte 1120 im Wesentlichen starr, und sie
kann aus einem Laminat hergestellt sein, das Schichten aus Siliziumnitrid
und Aluminium hat.
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Unter
Bezugnahme auch auf 11 umfasst die Spiegel-Tragestruktur 1130 zwei
Gelenkträger 1136 und 1138,
die an dem optisch lichtdurchlässigen Substrat 1110 befestigt
sind. Die Spiegeltragestruktur 1130 umfasst auch ein Torsionsgelenk 1134,
das an der rückseitigen
Oberfläche
der Spiegelplatte 1120 mit Hilfe einer Halterung 1141 befestigt
ist und sich darüber
hinweg erstreckt. Ebenfalls an der rückseitigen Oberfläche der
Spiegelplatte 1120 ist eine Elektrode 1132 befestigt.
In dem Ausführungsbeispiel
ist, wie dargestellt, die Elektrode 1132 ko-planar mit
dem Torsionsgelenk 1134, und sie ist an der Spiegelplatte 1120 mit
Hilfe von Trägern 1140 befestigt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden die Träger 1140 und 1141 dadurch
hergestellt, dass sie erst eine Opferschicht aus Silizium nach Muster
geätzt
wird, um Löcher
zu erzeugen, die zu der Spiegelplatte 1120 nach unten reichen,
und dass dann ein Gelenk-Elektroden-Laminat über den Löchern abgeschieden wird. Die
Elektrode 1142 umfasst auch Öffnungen 1132, um
das Entfernen der Opfermaterialien, die unter der Elektrode 1123 liegen,
während
des Herstellungsverfahrens zu erleichtern.
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Ebenfalls
in 11 gezeigt sind Auslenkungsstopper 1131 und 1133,
die konfiguriert sind, um an einer Auslenkung der Spiegelplatte 1120 über einen
vorgegebenen Auslenkungswinkel hinaus einen Widerstand entgegenzusetzen.
Insbesondere, wenn die Spiegelplatte 1120 bis auf einen
vorgegebenen Auslenkungswinkel abgelenkt wird, kann ein Teil der
Spiegelplatte 1120 in Kontakt mit den Auslenkungs stoppern 1131 und 1133 kommen.
Zusätzlich kann
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Mikro-Spiegelstruktur 1100 so
konfiguriert sein, dass, wenn die Spiegelplatte 1120 in
Kontakt mit den Auslenkungsstoppern 1131 und 1133 kommt,
eine Kante der Spiegelplatte 1120 in Kontakt mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat 1110 kommt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst die Spiegelplatte 1120 den Höcker 1122, der entlang
der das Substrat berührenden
Kante positioniert ist, so dass der Kontaktbereich zwischen der
Spiegelplatte 1120 und dem Substrat 1110 reduziert
wird, so dass die Kontaktkräfte
reduziert werden.
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In
den gezeigten Ausführungsbeispielen
gibt es doppelte Stoppmechanismen, wobei das ablenkbare Element
durch zwei unterschiedliche Typen oder Anschläge gestoppt wird. In einem
Ausführungsbeispiel
kommt das ablenkbare Element gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat
an einer oder mehreren Stellen in Anschlag. Zusätzlich schlägt das ablenkbare Element gegen
einen Pfosten und eine Gelenkanordnung an (entweder vor, nach oder gleichzeitig
mit dem Anschlag gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat). Es ist jedoch
zu beachten, dass die zwei Stoppmechanismen nicht zusammen vorgesehen
sein müssen.
Ein einziger Stoppmechanismus, wo ein Teil der Gelenk- und Pfostenanordnung
die Schwenkbewegung des ablenkbaren Elementes stoppt, kann ausreichend
sein. Auch kann eine Pfosten- und Lippenanordnung separat von dem Gelenk
alleine das ablenkbare Element stoppen, oder sie kann als Reservestopp
verwendet werden, um (oder zusammen mit) dem Anschlag des ablenkbaren
Elementes gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat verwendet werden.
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Wie
aus 12 zu ersehen ist, kann das ablenkbare Element 1202 schwenkbar
auf dem optisch lichtdurchlässigen
Substrat 1200 mit Hilfe von Pfosten 1204, 1205 und
Gelenken 1206, 1207 gehalten werden. Wie aus 12 zu
ersehen ist, sind die Auslenkungsstopper 1210, 1212 nicht
als Teil der Pfosten- und Gelenkanordnung vorgesehen, sondern sie sind
separat unter Abstand von dem Pfosten und den Gelenken vorgesehen.
Die Auslenkungsstopper sind aus Pfosten 1215, 1217 und
entsprechenden Lippen oder Vorsprüngen 1216, 1218 gebildet.
Im Betrieb verschwenkt sich ein erster Abschnitt 1222 des
ablenkbaren Elements 1202 gegen das optisch lichtdurchlässige Substrat 1200,
wenn ein zweiter Abschnitt 1220 sich von dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
wegschwenkt (aufgrund der elektrostatischen Anziehung der Elektrode 1225 zu
der gegenüberliegenden
Elektrode auf einem Schaltungssubstrat (nicht gezeigt)). Das ablenkbare
Element kann so konstruiert sein, dass es gegen die Auslenkungsstopper 1210, 1212 anschlägt, bevor,
nach oder gleichzeitig damit, dass der erste Abschnitt des ablenkbaren
Elements in Kontakt mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat kommt (oder
die Auslenkungsstopper alleine können
verwendet werden, um die Auslenkung des ablenkbaren Elements zu
stoppen). 13 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel zu
dem in 12 gezeigten (wobei gleiche Bezugszeichen
gleiche strukturelle Elemente bezeichnen) mit der Ausnahme, dass
die Gelenke 1300, 1303 die Stelle der Torsionsgelenke
in 12 einnehmen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch in der Lage, eine kontrollierte Verschwenkung
von jedem Spiegel in dem Feld zu erreichen. Die Steuerung wird durch
die Stoppmechanismen für
jeden Spiegel möglich
gemacht, wie oben erwähnt
wurde. Die Vielzahl der Stoppmechanismen kann so konstruiert sein, dass
sie an dem entsprechenden Spiegel zur gleichen Zeit anstoßen. Ein
Reservestoppmechanismus könnte
in dem Fall vorgesehen werden, dass der Spiegel durch den primären Mechanismus
nicht ausreichend gestoppt wird. Auf diese Weise wird das Maß der Verschwenkung
von jedem Spiegel genauer gesteuert, was in einer lang andauernden,
genauen Auflösung
und Kontrastverhältnis
resultiert.
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Entsprechend
ist die Spiegel-Tragestruktur mit Auslenkungsstoppern verstärkt, die
konfiguriert sind, um eine Auslenkung des reflektierenden Elements über einen
vorgegebenen Auslenkungswinkel hinaus einen Widerstand entgegensetzt.
Die Auslenkungsstopper könnten
so konfiguriert sein, dass, wenn das reflektierende Element bis
zu einem vorgegebenen Verschwenkungswinkel ausgelenkt ist, das reflektierende
Element in Kontakt mit den Auslenkungsstoppern kommen kann. Zusätzlich kann
ein Ende des reflektierenden Elements in Kontakt mit dem optisch
lichtdurchlässigen
Substrat kommen. Auf diese Weise wird die mechanische Robustheit der
Spiegel-Tragestruktur erheblich verbessert. Darüber hinaus wird der Kontrast
des räumlichen
Lichtmodulators aufgrund der größeren Fähigkeit,
den Auslenkungswinkel des reflektierenden Elements zu steuern, vergrößert. Das
reflektierende Element der vorliegenden Erfindung kann auch einen
oder mehrer Höcker
umfassen, die entlang einer das Substrat berührenden Kante positioniert
sind, so dass der Kontaktbereich zwischen dem reflektierenden Element und
dem Substrat reduziert wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
sind die Spiegel-Tragestruktur und die Anziehungselektrode aus demselben,
leitfähigen
Laminat zusammengesetzt. Daher muss das reflektierende Element nicht
leitfähig
sein (obwohl das reflektierende Element in einem anderen Ausführungsbeispiel
leitfähig
sein und als Elektrode wirken kann). Folglich können die mechanischen und Reflektionseigenschaften
des reflektierenden Elements ohne Rücksicht auf die Leitfähigkeit optimiert
werden. Auch der Stoppmechanismus kann auf einer Seite des reflektierenden
Elements gegenüber
der des Substrats angeordnet sein, und die Tragestruktur umfasst
vorzugsweise Gelenke und Pfosten, wobei die Pfosten sich an dem
reflektierenden Element vorbei erstrecken, um direkt oder indirekt
mit dem Substrat in Kontakt zu kommen, und jedes Gelenk erstreckt
sich von dem Pfosten und ist mit dem reflektierenden Element verbunden.
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Die
primären
und sekundären
Stoppmechanismen können
so aufgebaut sein, dass sie die Bewegung des ablenkbaren Elements
an verschiedenen Auslenkungswinkeln des ablenkbaren Elements stoppen
und sie können
in unterschiedlichen Ebenen in Bezug auf das ablenkbare Element
aufgebaut sein. Einer der primären
und sekundären
Stoppmechanismen umfasst vorzugsweise einen Abschnitt oder einen
Ansatz des ablenkbaren Elements, der gegen das erste Substrat während er
Auslenkung des ablenkbaren Elements anschlägt, und der andere der primären und
sekundären
Stoppmechanismen umfasst vorzugsweise eine Tragestruktur, die mit
dem ersten Substrat verbunden ist, das auf einer Seite des ablenkbaren
Elements gegenüber
der Seite angeordnet ist, auf der das erste Substrat angeordnet ist,
wobei das ablenkbare Element geeignet ist, gegen die Tragestruktur
anzuschlagen, wenn das ablenkbare Element ausgelenkt wird. Der sekundäre Stoppmechanismus
umfasst vorzugsweise einen Abschnitt des Gelenks, wobei der Gelenkabschnitt
so konstruiert ist, dass er gegen das ablenkbare Element anschlägt, wenn
das ablenkbare Element ausgelenkt wird, und ein Spalt ist zwischen
dem ersten Substrat und dem ablenkbaren Element angeordnet, und
ein zweiter Spalt ist zwischen dem ablenkbaren Element und einem
der primären
und sekundären Stoppmechanismen
angeordnet. Auch umfasst einer der primären und sekundären Stoppmechanismen einen
Pfosten oder eine Wand, die an einem Ende des ersten Substrats befestigt
ist und ein zweites Ende mit einem Vorsprung hat, der geeignet ist,
gegen das ablenkbare Element anzuschlagen, wenn das ablenkbare Element
bis zu einem vorgegebenen Winkel schwenkt, während der sekundäre Stoppmechanismus
so aufgebaut ist, dass ein Anschlag gegen das ablenkbare Element
vermieden wird, es sei denn, dass der primäre Stoppmechanismus versagt.
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In
einem Ausführungsbeispiel
dieses Aspekts der Erfindung wird ein räumlicher Lichtmodulator bereitgestellt,
der ein erstes Substrat, ein ablenkbares Element, das schwenkbar
auf dem ersten Substrat gehalten wird, einen Pfosten oder eine Wand, die
sich von dem ersten Substrat weg erstreckt und eine Lippe oder einen
Vorsprung hat, der sich an einem Abschnitt des ablenkbaren Elementes
vorbei erstreckt, so dass, wenn das ablenkbare Element verschwenkt,
ein Abschnitt des ablenkbaren Elements gegen die Lippe oder den
Vorsprung anschlägt,
um die Bewegung des ablenkbaren Elements zu stoppen, aufweist. In
einem anderen Ausführungsbeispiel weist
ein räumlicher
Lichtmodulator im Querschnitt ein optisch lichtdurchlässiges Substrat,
einen ersten Spalt, der unterhalb des optisch lichtdurchlässigen Substrats
angeordnet ist, einen schwenkbaren Spiegel, der unterhalb des ersten
Spalts angeordnet ist, einen zweiten Spalt, der unterhalb des Spiegels
angeordnet ist, und einen Auslenkungsstopper auf, der unterhalb
des zweiten Spaltes angeordnet ist. Auch ist ein Bindeglied vorgesehen,
das den schwenkbaren Spiegel mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
verbindet, wobei das Bindeglied vorzugsweise den Auslenkungsstopper
umfasst. Der Auslenkungsstopper kann Teil einer Gelenk- und Pfostenanordnung
sein, um den Spiegel schwenkbar an dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
zu halten, oder die Gelenk- und Pfostenanordnung kann unter Abstand von
dem Auslenkungsstopper angeordnet sein, wobei das Gelenk unter dem
zweiten Spalt angeordnet ist. Der Ablenkungsstopper kann einen Vorsprung aufweisen,
der sich unterhalb des zweiten Spaltes erstreckt, und eine Wand
oder einen Pfosten, der mit dem optisch lichtdurchlässigen Substrat
verbunden ist.
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Es
sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung mit spezifischen
Bezugszeichen beschrieben worden ist. Es ist jedoch zu beachten,
dass die spezifischen Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung
nicht so konstruiert werden sollten, dass sie den Schutzumfang der
vorliegenden Erfindung einschränken.
Stattdessen sollte der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur
gemäß den unten
angegebenen Ansprüchen
bestimmt werden.