经配置以用于模拟控制的数字光调制器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请案主张2013年7月11日申请且转让给本发明的受让人且特此以引用的 方式明确并入本文中的标题为"经配置以用于模拟控制的数字光调制器（DIGITALLIGHT MODULATORC0NFI⑶REDFORANALOGCONTROL)"的第 13/939, 803 号美国实用新型申请案的 优先权。
技术领域
[0003] 本发明涉及成像显示器的领域，且特定来说涉及用于显示元件的像素电路。
【背景技术】
[0004] 机电系统（EMS)装置包含具有例如致动器、光学组件（例如镜、快门和/或光学膜 层）和电子装置的电和机械元件的装置。EMS装置可以多种规模制造，包含但不限于微米级 和纳米级。举例来说，微机电系统（MEMS)装置可包含具有介于约一微米到数百微米或更多 的范围的大小的结构。纳米机电系统（NEMS)装置可包含具有小于一微米的大小（包含，举 例来说，小于数百纳米的大小）的结构。机电元件可利用沉积、蚀刻、光刻和/或蚀除所沉 积材料层的若干部分或添加若干层以形成电气和机电装置的其它微机械加工工艺来形成。
[0005] 已提出包含通过使光阻挡组件穿过经由光阻挡层定义的孔隙选择性地移动到光 学路径中和从其移动出而调制光的显示元件的基于EMS的显示设备。如此做使来自背光的 光选择性通过或反射来自环境或前光的光以形成图像。
【发明内容】
[0006] 本发明的系统、方法和装置各自具有若干个发明性方面，所述方面中的任何单个 方面均不单独地决定本文中所揭示的所要属性。
[0007] 本发明中所阐述的标的物的一个发明性方面可实施于一种显示设备中，所述显示 设备包含能够在两个离散状态之间切换的光调制器和耦合到所述光调制器的像素电路。所 述像素电路包含能够存储对应于数据值的数据电压的数据存储元件，致动电荷电容器、耦 合到所述数据存储元件和所述致动电荷电容器的模拟电流源，和耦合到所述致动电荷电容 器的具有电压阈值的切换器。所述模拟电流源能够输出具有基于存储于数据存储元件上的 所述数据电压的量值的电流从而以可变速率变更存储于所述致动电荷电容器上的电荷量 和电压。此外，所述切换器能够响应于由所述模拟电流源输出的所述电流致使存储于所述 致动电荷电容器上的所述电压与所述切换器的所述电压阈值交叉而起始所述光调制器的 状态的改变。
[0008] 在某些实施方案中，所述光调制器包含第一致动器和第二致动器，且所述切换器 能够控管所述致动器中的一者的致动。在某些实施方案中，所述致动电荷电容器耦合到所 述第一致动器，且存储于所述致动电荷电容器上的所述电压控管所述致动器中的另一者的 致动。在某些实施方案中，所述模拟电流源能够汲取存储于所述致动电荷电容器和所述致 动器中的一者上的电压。在某些实施方案中，所述模拟电流源是晶体管。
[0009] 在某些实施方案中，所述显示设备进一步包含能够选择性地防止所述模拟电流源 汲取存储于所述致动电荷电容器上的电压的定位于所述模拟电流源与所述致动电荷电容 器之间的负载保护切换器。在某些实施方案中，所述像素电路能够进行模拟操作和数字操 作两者。
[0010] 在某些实施方案中，所述显示设备进一步包含耦合到所述模拟电流源和所述致动 电荷电容器的阈值电压补偿电路，其中除了所述数据电压外，所述阈值电压补偿电路还能 够在所述数据存储元件上存储实质上等于所述模拟电流源的阈值电压的补偿电压。在某些 实施方案中，所述切换器是电压反相器。
[0011] 在某些实施方案中，所述显示设备进一步包含显示器，所述显示器包含显示元件 阵列和控制矩阵。所述显示器进一步包含能够与所述显示器通信的处理器，所述处理器能 够处理图像数据，以及能够与所述处理器通信的存储器装置。在某些实施方案中，所述显示 器进一步包含能够将至少一个信号发送到所述显示器的驱动器电路，和能够将所述图像数 据的至少一部分发送到所述驱动器电路的控制器。
[0012] 在某些实施方案中，所述显示设备进一步包含能够将所述图像数据发送到所述处 理器的图像源模块，其中所述图像源模块包含接收器、收发器和发射器中的至少一者。在某 些实施方案中，所述显示器进一步包含能够接收输入数据且将所述输入数据传送到所述处 理器的输入装置。
[0013] 本发明中所阐述的标的物的另一发明性方面可实施于一种用于使用耦合到能够 在两个离散状态之间切换的光调制器的像素电路来致动所述光调制器的方法。所述方法包 含：将对应于像素强度的数据电压存储于数据存储元件中，将致动电容器充电到致动电压， 以基于存储于所述数据存储元件上的所述数据电压的量值的速率使所述致动电容器选择 性地放电，和响应于所述致动电压与电压阈值交叉而起始所述光调制器的状态的改变。
[0014] 在某些实施方案中，使所述致动电容器选择性地放电包含：经由电压控制电流源 使所述致动电容器放电，其中由所述电压控制电流源汲取的所述电流基于施加到所述电压 控制电流源的所述数据电压的所述量值。在某些其它实施例中，使所述致动电容器选择性 地放电包含：防止在将所述数据电压存储于所述数据存储元件中时使所述致动电容器放 电。
[0015] 在某些实施方案中，所述方法进一步包含：将额外补偿电压施加到所述电压控制 电流源，其中所述补偿电压等于所述电压控制电流源的阈值电压。在某些实施方案中，所述 方法进一步包含：在所述致动电容器经充电到所述致动电压时将所述光调制器切换到打开 状态。
[0016] 本发明中所阐述的标的物的另一发明性方面可实施于一种其上编码有指令的非 暂时性计算机可读存储媒体中，所述指令在由处理器执行时致使所述处理器执行用于显示 图像的方法。在某些实施方案中，用于显示所述图像的所述方法包含：致使将对应于像素强 度的数据电压存储于数据存储元件中，起始将致动电容器充电到致动电压，致使所述致动 电容器以基于存储于所述数据存储元件上的所述数据电压的量值的速率选择性放电，和响 应于致动电压与电压阈值交叉而起始所述光调制器的状态的改变。
[0017] 在某些实施方案中，致使所述致动电容器选择性放电包含：经由电压控制电流源 致使所述致动电容器放电，其中由所述电压控制电流源汲取的所述电流基于施加到所述电 压控制电流源的所述数据电压的量值。
[0018] 下文的附图和描述内容中阐明本说明书中所阐述的标的物的一或多个实施方案 的细节。尽管本
【发明内容】
中所提供的实例主要就基于机电系统（EMS)的显示器方面加以阐 述，但本文中所提供的概念可适用于其它类型的显示器（例如液晶显示器（LCD)、有机发光 二极管（0LED)显示器、电泳显示器和场发射显示器）以及其它非显示器的EMS装置（例如 EMS麦克风、传感器和光学切换器）。根据描述内容、图式和权利要求书将明了其它特征、方 面和优点。注意，以下图的相对尺寸可并不按比例绘制。
【附图说明】
[0019] 图1A展不实例性直观式基于微机电系统（MEMS)的显不设备的不意图。
[0020] 图1B展示实例性主机装置的框图。
[0021] 图2A和2B展示实例性双重致动器快门组合件的视图。
[0022] 图3展示可经实施用于控制光调制器的第一实例性像素电路。
[0023] 图4展示图3中所展示的像素电路的实例性时序图。
[0024] 图5展示可经实施用于控制光调制器的第二实例性像素电路。
[0025] 图6展示可经实施用于控制光调制器的第三实例性像素电路。
[0026] 图7展示图6中所展示的像素电路的实例性时序图。
[0027] 图8展示实例性控制矩阵的示意性图。
[0028] 图9展示用于使用像素电路来操作双层致动器光调制器的过程的实例性流程图。
[0029] 图10A到10D展示说明显示设备的实例性混合数/模操作的各种时序图。
[0030] 图11A和11B展示包含多个显示元件的实例性显示装置的系统框图。
[0031] 在各个图式中，相同元件符号和名称指示相同元件。
【具体实施方式】
[0032] 以下描述针对用于阐述本发明的发明性方面的目的的某些实施方案。然而，所属 领域的一般技术人员应易于看出，可以许多不同方式来应用本文中的教示。所阐述的实施 方案可实施于可经配置以显示图像（无论是运动图像（例如，视频）还是静止图像（例如， 静态图像），且无论是文字图像、图形图像还是图片图像）的任何装置、设备或系统中。更特 定来说，预期所述所阐述的实施方案可包含于以下各种电子装置中或与其相关联：（例如 但不限于）移动电话、启用多媒体因特网的蜂窝式电话、移动电视接收器、无线装置、智能 型电话、Bluetooth》.:装置、个人数据助理（PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算 机、上网本、笔记本计算机、智能型笔记本计算机、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传 真装置、全球定位系统（GPS)接收器/导航仪、相机、数字媒体播放器（例如，MP3播放器）、 摄录影机、游戏控制台、手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读装置（例 如，电子阅读器）、计算机监视器、汽车显示器（包含里程计和速度计显示器等）、驾驶舱控 制件和/或显示器、相机视图显示器（例如，车辆中的后视相机的显示器）、电子相片、电子 告示牌或标牌、投影仪、建筑结构、微波炉、冰箱、立体声系统、卡式记录器或播放器、DVD播 放器、CD播放器、VCR、无线电设备、便携式存储器芯片、清洗机、干燥机、清洗机/干燥机、停 车计时器、封装（例如，在机电系统（EMS)应用（包含微机电系统（MEMS)应用）以及非EMS应用中）、美学结构（例如，一件珠宝或服装上的图像显示器）和各种EMS装置。本文中的教 示还可用于非显示器应用中，例如但不限于，电子切换装置、射频滤波器、传感器、加速计、 回转仪、运动感测装置、磁力计、消费性电子装置的惯性组件、消费性电子产品的零件、变容 器、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造过程和电子测试装备。因此，所述教示并不希望限 于仅描绘于所述图中的实施方案，而是具有所属领域的一般技术人员应易于了解的广泛适 用性。
[0033] -显示设备包含用于控制光调制器的操作状态的像素电路。所述像素电路可经配 置以基于表示所述像素的像素强度值的模拟数据电压而控制所述光调制器的所述状态。在 某些实施方案中，所述像素电路包含耦合到所述光调制器的致动器的致动电压电容器。所 述像素电路可为所述致动电压电容器充电以将所述光调制器驱迫到特定状态。所述像素电 路还可包含耦合到所述致动电压电容器的电压控制电流源，其中由所述电压控制电流源汲 取的电流的量值基于数据电压。所述电压控制电流源可用于以基于所述模拟数据电压的速 率使存储于所述致动电压电容器上的电压衰减。此改变速率影响所述光调制器维持处于 特定状态的持续时间。因此，模拟数据电压可控制维持所述光调制器处于一状态内的持续 时间。在某些实施方案中，所述像素电路包含用于实施所述电压控制电流源的薄膜晶体管 (TFT)。在某些其它实施方案中，像素电路包含M0SFET。
[0034] 在某些实施方案中，所述像素电路可包含经配置以使由所述电压控制电流源汲取 的电流独立于所述电压控制电流源的阈值电压的补偿电路。
[0035] 在某些其它实施方案中，所述像素电路可经配置以使所述光调制器的操作持续时 间基于充电致动电压电容器而变化。特定来说，经放电致动电压电容器可由电压控制电流 源提供的电流充电。由所述电压控制电流源提供的电流量值可随数据电压而变。因此，跨 越致动电压电容器的电压的增加速率可随模拟数据电压而变。此增加速率可用于以模拟方 式控制光调制器的状态的持续时间。
[0036] 在某些实施方案中，像素电路可经配置以实施数字或模拟灰阶。
[0037] 本发明中所阐述的标的物的特定实施方案可经实施以实现以下潜在优点中的一 或多者。使用模拟像素电路来控制光调制器的状态的持续时间实现使用模拟灰阶技术来在 显示设备上显示图像。使用模拟灰阶技术可减轻可不利地影响数字灰阶技术在显示图像方 面的使用的图像假影，例如闪烁、动态假轮廓（DFC)和色分离（CBU)。
[0038] 在某些实施方案中，显示设备的复杂性可由于数字灰阶技术中所利用的数据缓冲 器的消除而简化。
[0039] 在某些实施方案中，可通过使用模拟像素电路来减少在实现像素的所要光输出的 前所需的快门转变的次数。减少转变的次数继而可减少显示设备的总电力消耗。另外，光 源可以较高工作循环操作，从而改进其效率且提供进一步功率节省。
[0040] 像素电路还可包含补偿电路以改进控制处于特定状态中的光调制器操作的持续 时间的精确度。补偿电路确保可由于温度改变、制作工艺变化、材料的固有性质等引起的像 素电路组件的不可预测变化不会影响像素电路的操作。
[0041] 在某些实施方案中，相同像素电路可用于模拟和数字灰阶技术两者以用于显示图 像帧。此允许显示设备容易在操作的数字、模拟和混合数/模模式之间切换，此继而可改进 显示装置的功率消耗。
[0042] 图1A展示实例性直观式基于MEMS的显示设备100的示意图。显示设备100包含 配置成行和列的多个光调制器l〇2a到102d(统称光调制器102)。在显示设备100中，光调 制器102a和102d处于打开状态，从而允许光通过。光调制器102b和102c处于关闭状态， 从而阻碍光通过。通过选择性地设定光调制器102a到102d的状态，显示设备100可用于 形成背光照明显示器（如果由一或多个灯105照明）的图像104。在另一实施方案中，设备 100可通过反射源自所述设备前面的混晶光来形成图像。在另一实施方案中，设备100可通 过反射来自定位于所述显示器前面的一或多个灯的光（即，通过使用前光）来形成图像。
[0043] 在某些实施方案中，每一光调制器102对应于图像104中的像素106。在某些其它 实施方案中，显示设备100可利用多个光调制器来形成图像104中的像素106。举例来说， 显示设备100可包含三个色彩特定光调制器102。通过选择性地打开对应于特定像素106 的色彩特定光调制器102中的一或多者，显示设备100可在图像104中产生色彩像素106。 在另一实例中，显示设备100包含每像素106两个或两个以上光调制器102以在图像104 中提供照度水平。关于一图像，像素对应于由图像的分辨率界定的最小图素。关于显示设 备100的结构组件，术语像素是指用于调制形成所述图像的单个像素的光的组合式机械与 电组件。
[0044] 显示设备100是直观式显示器，这是因为其可不包含通常在投影应用中发现的成 像光学件。在投影显示器中，将形成于所述显示设备的表面上的图像投影到屏幕上或到墙 壁上。所述显示设备实质上小于所投影图像。在直观式显示器中，用户通过直接注视所述 显示设备来察看所述图像，所述显示设备含有所述光调制器和任选地用于增强在所述显示 器上所察看到的亮度和/或对比度的背光或前光。
[0045] 直观式显示器可以透射模式或反射模式操作。在透射显示器中，光调制器过滤或 选择性地阻挡源自定位于所述显示器后面的一或多个灯的光。来自灯的光任选地被注射到 光导或背光中以使得可均匀地照明每一像素。透射直观式显示器通常构建到透明或玻璃衬 底上以促进其中含有光调制器的一个衬底定位在背光上方的夹层组合件布置。
[0046] 每一光调制器102可包含快门108和孔隙109。为照明图像104中的像素106,快 门108经定位以使得其允许光通过孔隙109朝向观看者。为保持像素106未被照亮，快门 108经定位以使得其阻碍光通过孔隙109。孔隙109由穿过每一光调制器102中的反射或 吸光材料图案化的开口界定。
[0047] 所述显示设备还包含连接到所述衬底