静电双态开关装置和存储器装置

本发明关系到一种作为一个阵列、开关矩阵、存储器等类似装置使用的静电控制的机电双态器件。这件专利申请是我们下列几件申请的继续部分：美国申请串号642，752，名称“静电动作的双态器件阵列”，申请日期1984年8月21日;美国申请串号642，997，名称“静电动作的双态器件阵列及其制造方法”，申请日期1984年8月21日;以及美国申请串号642，996，名称“静电动作的双态快门器件阵列”，申请日期1984年8月21日。

现有技术中有许多静电显示元件的例子。例如美国专利1，984，683及3，553，364中说明的一类器件，包括一种有与进入光线相平行的盖片的光阀，每个盖片能用静电方法控制，无论对于传输型的显示或对于反射型的显示，都是使盖片在光的途径上改变一个斜角。在美国专利3，897，997中，透露过一种电极，它是用静电方法包在另一个曲线形的固定电极上，以便影响固定电极的光反射特性。还有一种现有技术，例如载在1970年12月7日出版的电子学杂志（Elec-tronics）第78-83页上和IBM技术透露公报（IBM    Technical    Disclosure    Bulletin）Vol.13，No.3，1970年8月号上，这种技术采用一个电子枪，使选出的一部分可变形材料在静电上充电，从而改变其光的传输特性或反射特性。

从下面一些美国专利中，还可获得用于显示目的的静电控制元件领域内的另一些说明：

4，336，536    Kalt    等人

4，266，339    Kalt

4，234，245    Toda    等人

4，229，075    Ueda    等人

4，208，103    Kalt    等人

4，160，583    Ueda    等人

4，160，582    Yasuo

4，105，294    Peck

4，094，590    Kalt

4，065，677    Micheron    等人

3，989，357    Kalt

3，897，997    Kalt

888，241    Kuhlmann

本发明是从Simpson的美国专利4，248，501及Simpson等人的美国专利4，235，522中所透露的材料出发。

在一些背景材料中，感兴趣的还有：

W.R.Aiken："An    Electrostatic    Sign-The    Distec    System"，Society    for    Information    Display，June    1972，PP.108-9;

J.L.Bruneel    et    al："Optical    Display    Device    Using    Bistable    Elements"，Applied    Physics    Letters，Vol.30，No.8，15    April    1977，PP.382-3;以及

R.T.Gallagher："Microshutter    Flip    to    Form    Charac-ters    in    Dot-Matrix    Display"，Electronics，14    July    1983，PP.81-2.

本发明提供出一种可用于存储器、开关矩阵以及类似设备中的静电装置。这种装置取静电双态元件阵列的形式，每个双态元件有若干个电极区，以便联接成行和列，要对某特定元件访址时，可在该行该列上施加驱动电压，用静电方法来改变该元件的状态。动作的时候，这种元件形成了一个电容器。利用高频信号或脉冲信号可以决定哪一个元件象电容器一样工作，根据电容的是否存在，就能“读出”这个阵列的状态。元件的这种从电容器状态改变到非电容器状态的能力，使它们能在阵列中作为开关器件来使用，在动作时能提供出一个信号脉冲。这种开关矩阵或阵列可用来控制另外一个阵列。

Simpson的美国专利4，248，501，Simpson等人的美国专利4，235，522及Simpson等人美国申请串号642，752，串号642，997以及串号642，996曾表明了许多种静电动作双态元件，其中都利用电极上的适当通电，驱使一片可弯曲的盖片、卷曲片或快门，停留在两个位置或两种状态中的一个位置或一种状态上。这些专利透露了由这种双态元件组成的行和列阵列，其中各个元件都能被单独访址而改变其状态，以便例如在字母-数字显示中应用。在以上专利和申请中透露过的各种元件，都适于本发明作为双态元件来使用，所以这几个专利在这里都作为参考。本发明说明和描述了能按以上任一件透露中所述的特定实用新型实现出来的静电双态元件的一种适当的推广形式。

附图的简单说明

图1是适用于本发明的双态元件的透视图。

图2是双态元件阵列的简单表示。

图3是双态元件另一种实用新型的透视图。

图4是说明用两个开关阵列去控制一个主阵列的简图。

图5是适于作为电容开关元件使用的双态元件的剖面简图。

图6是一个双态元件另一种实用新型的剖面简图。

图7是采用本发明双态元件的一个电容存储器的电路简图。

图1是简化的单个双态静电元件10的简单表示，它在固定子11上有用V字形间隙分开的X、Y和锁定或保持（HD）电极，以及一个可被静电吸动的盖片12，图中的盖片表示成卷曲的形式。对X电极区通电，将引起盖片12的部分伸直。对Y电极区通电，将引起进一步的伸直，再对锁定区HD通电，将使盖片12不卷曲或完全伸直。此时可以去掉X和Y电极区上的驱动电压，只要锁定电极HD上保持通电，盖片将保持伸直。

图2是由54个双态元件或象素组成的一个小的6×9元件阵列20，这些元件中有几个已经动作，形成了一个目视的字母，在图2的情况下，显示了数字“6”。所选元件靠下述办法使之动作，即对阵列中某特定地址处元件的X和Y电极区施加驱动电压。每一行所有的X区在电气上都接在一起，且接至该行的一个X输入端（引线14）。每一列所有的Y区在电气上都接在一起，且接至该列的一个Y输入端（引线16）。于是，为了形成数字“6”的左边，列输入引线Y1和行输入引线X1至X10都依次通电。同样，要形成这数字的右边，列输入引线Y6和行输入引线X1至X5及X9都依次通电。每个被选址的元件或象素改变了它的状态，并且由于用输入引线18对阵列中所有的锁定电极HD都通了电，所以都被锁定在那个改变后的状态。每个象素10有一离散的地址，例如X9，Y6。因此，为了控制图2的小阵列，所需外部开关器件和引线数目就是9个X输入加6个Y输入再加1个保持输入，总共有16个输入需要进行开和关。

在一个576×676阵列中控制389，376个象素所需的 X、Y输入引线或外部开关器件的数目为1252个加保持输入。对于一个阵列而言，开关器件的数目由下式给出：

S = d Nd

其中S是所需开关最小的数目，N是象素数，d是阵列的数学维数，例如对于X、Y阵列d＝2，对于X、Y、Z阵列d＝3。在以上的两维阵列中，S＝2 389,3762 ＝1248个外部开关器件。

为了减少控制阵列所需的外部开关器件数，一个办法是增加阵列的维数。如果X、Y阵列被认为是两维的，则X、Y、Z阵列就是三维阵列。图3表示一个与图1元件10相类似的双态元件30，但它有一个Z电极区及其引线17。阵列中一组元件的Z电极区都接在一起。在图2中，表示出6个Z组（Z1至Z6），它们是用虚线围出的6个组，每组9个象素。某个特定元件的地址，以元件10为例，将是（X9，Y6，Z2）。对于398，376个象素的三维阵列，外部开关器件的数目将为S＝3 389,3763 ＝220，差不多为同样多象素的二维阵列所需数的五分之一。

对于控制一个有大量元件或象素的阵列，要减少所需外部开关器件数目的另一种方法是在象素阵列的X引线前面和Y引线前面各再利用一个开关阵列。图4是一个简图，表明了一个例如有576×676个象素的阵列90，它有576条X引线92和676条Y引线91，总共为1252条引线。图中还表明了用于X引线的开关阵列94和用于Y引线的开关阵列97。为了控制这576条引线，开关阵列94需要2 5762 ＝48条引线，后者可分配成24条“A”引线95和24条“B”引线96。同样，676条Y引线可以用一个Y开关阵列97来控制，后者有2 6762 ＝52条引线，分配成26条“C”引线98和26条“D”引线99。利用了开关阵列， 外部开关所需的外部引线数目就成为48+52＝100条，而不是1252。

对某一特定象素访址时，设为X＝250，Y＝330，只需对X开关阵列适当的A引线和B引线访址，以及对Y开关阵列适当的C引线和D引线访址。所选象素的地址（X＝250，Y＝330）现在变成〔（A，B），（C，D）〕，其中A、B、C、D都是由X和Y开关阵列的矩阵所决定的变量。

外部引线数目的大量减少（在本例中，代替1252的是100），也大大减少了控制一个大数量阵列的硬件成本。但由于两个开关阵列必须在象素阵列动作之前作出响应，所以总的响应速率是减慢了。

图5是一简图，表示出静电动作的元件如何能作为电容开关器件而适应于X和Y开关阵列94和97。由于这些开关器件都是些与象素元件相类似的静电元件，所以它们可以在形成显示象素的同时，用同样的光蚀或印刷技术，例如在象素显示阵列90的边缘处形成。从显示阵列引出的X和Y引线，可以直接与X和Y开关阵列联接，并且作为光蚀或印刷过程中的一部分来形成。因此，需要向外联接的祇是一些极少数的对X和Y开关阵列访址用的引线。

图5的简图表示出X开关阵列的一个象素110和Y开关阵列的一个象素112。这两个X和Y开关阵列的象素不需要是目视显示元件，但应为静电动作的电容开关元件。可被静电吸动的盖片10X和10Y用虚线来表示它们的卷曲状态以及各用它们的导电区A、Xn和C、Yn来联想它们的动作或伸直状态。固定子20X和20Y各有导电区COMX，B，COMX和COMY，D，COMY。

固定子的两个公共电极区COMX接在一起，两个公共区COMY也接在一起，并且接至交流电源。对X开关阵列94的适当行供应交流电，就是对该行所有盖片10X和A区通电，对适当的列供应交流 电，就是对该列所有的固定子的B区通电。在本例中，位在该行该列交叉处的电容开关象素假定就是画出的象素110。它是在X开关阵列中唯一动作的象素，动作之后，电极区Xn变成电容性充电，因而产生了一个输出信号去驱动显示阵列90中所需驱动的一行Xn。同样，Y开关阵列97的电容开关象素112动作后，也能从电极Yn处给出一个驱动信号去驱动显示阵列的所选一列Yn。

驱动信号Xn、Yn（即X和Y开关阵列的输出）的并存将引起显示阵列中目标象素的动作。因此，对X开关象素110（A，B）的访址以及对Y开关象素112（C，D）的访址，就是对显示象素Xn、Yn的访址，其中A、B、C、D是代表两个开关阵列所选行与列的地址分量，从而代表了这大显示阵列目标象素的独立地址分量。用这种方法，控制显示阵列所需的外部开关器件的数量可以大大减少，正如以上对图4所说的那样。

开关阵列还可继续用开关阵列来链联，这样还能继续减少外部引线的数量。这种技术在显示阵列中象素数目增加时得到采用。例如，一个有三原色象素组的大面积显示阵列，可以做成一块不限尺寸的极薄的平的电视屏幕。三原色象素组的数量也有限制，但这限制不是由于技术，而是限于广播信号的标准。链联边缘上的开关阵列可以依实际数量的导线用一根电缆接至信号发生器、电视接收机或录像机。

采用三维或多维阵列也可减少引线，其中每个元件具有X、Y、Z、……N驱动输入的各个电极区。请看我们的美国专利4，235，522，栏6及其以下的内容。电容开关阵列和数学三维或多维阵列的组合更可大大减少所需的外部引线和分离部件。利用三个两维开关阵列去驱动一个三维阵列，相当于一个6维阵列。因此，对于以前所说的389，376象素的阵列所需的100条引线，如果采用这种组合技术来作成一个6维阵列，那么就可以控制（100/6）6即超过 二千一百万个象素。

图6是与图1和图3元件相类似的双态元件60的剖面简图，其中可活动的电极12为一片卷曲片的形式，且能被静电吸引成为不卷曲或伸直状态而摊开在固定子11上，固定子11由绝缘材料做成，带有若干个固定子电极区COM、HD、X、Y、Z和HD。盖片12用虚线表示它的卷曲状态，用实线表示它的伸直状态。它至少有一个导电表面，例如可以在聚对酞酸乙二醇酯（Polyetbylehe    terephthalate）膜上镀一层蒸发沉积铝。这层导电面没有直接的电联接，在电气上是自由浮起的。在固定子的几个电极区之间施加电位，即能访问该元件，并使之动作到伸直状态。伸直以后，利用锁定或保持电极区HD的继续通电，可使盖片12锁定在伸直或动作状态。伸直以后，加在X、Y和Z电极上的驱动电位可以去掉。利用适当的电极开关顺序还可把所选伸直的盖片使之成为卷曲状态，这些在我们的专利申请串号642，752中都讲过。

为了防止电源中断时存储内容的丢失，锁定或保持电极HD可以用驻极体做成。驻极体即是象聚对酞酸乙二醇酯其中能永久保留静电荷的一种材料。从动作的目的上讲，锁定或保持电极的导电电极区允许被驻极体的永久电荷所代替。在没有电源时，驻极体的锁定作用将保持住各元件的状态。

到此我们透露的主题本质上是一种双态可锁定的门元件阵列或门元件场，这些门元件或者是卷曲的或者是伸直的，或者反射光线或者不反射，或者是一小孔或者不是。这种阵列也可在计算机中作为存储器使用。通过程序，可使一部分选好的元件使之伸直，而其它元件仍为卷曲，这样它就是一个存储器。

当盖片、卷曲片或快门发生动作且摊开在固定子电极上以后，双态元件就好似一个电容器，因为这是在通常平行平板的电极区之间隔 了一层介质。能使某些元件动作而使另一些不动作的元件阵列可以把它当作存储器来使用。为了读出这存储器，阵列中各个元件用一驱动顺序使之摊开，如果该元件能够摊开的话。为了确定该元件是否摊开在固定子上，可以在该元件的电极上加一信号脉冲，同时在该元件的另一电极上接一个信号检测器。如果这个元件的固定子已被复盖住，由于电容耦合，能够检测到这个信号，但只有固定子被复盖住的元件才有这种电容耦合。

图7是64个元件的一个阵列，布置成4×4×三维X、Y、Z阵列。为了清楚起见，只画出X、Y和Z电极区。浮动导体或盖片12在左上角元件60中用虚线表示，该元件的地址是（X1，Y1，Z1）。

祇有一个元件60已经动作的事实可以这样来确定，即需要有一个能在Z1至Z4任一位置开或关的高频信号或脉冲源75、一个能在Y1至Y4任一位置开或关的第一信号传感器76，以及一个能在X1至X4任一位置开或关的第二信号传感器77。祗当信号源75的开关投向Z1位置时将遇到一个电容器（元件60）。并且祗当传感器76、77的开关各投向Y1及X1时，这个信号将被电容耦合至Y1以及耦合至X1而才被传感器76、77检测到。于是，可以检出元件60已经动作的事实，并且确认出地址为（X1，Y1，Z1）。

在这种存储器阵列中，信息是根据阵列行与列各个交叉处的元件是否变成电容器而存储的。不能测出电荷的模拟值，只能知道双态的有或无。因此，这就提供出一种稳定可靠的存储器，它对电噪声或随机信号不敏感，也没有频带问题。

图7阵列的制造，可以在几层底板模上用光蚀或印刷技术印好后迭成。各个电极区的导体引线可排列在平面上，避免不需要的交叉联 接。在一个电极区的引线穿过另一电极区引线的地方，可布置另外一个接有地线的导电平面，让它起屏蔽隔离作用，防止信号串到不应联接的引线中去。这种看起来很复杂的电路可以分解成几层印刷或光蚀的“工艺品”，这样可使成本降低。在一块祗有几厘米见方的面积上可做出数十万元件的阵列。不仅阵列的成本很低（祗在薄膜上印刷），而且外部联接和开关器件的数量很少，因此亦降低了计算机或其它应用硬件的总的成本。