專利名稱：微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)和制造該微機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包含該微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器以及制造該微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的方法。
這種類型的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)可用在調(diào)制輻射的設(shè)備，例如可轉(zhuǎn)換鏡、智能窗、快速成像裝置和光學(xué)記錄介質(zhì)。
從美國專利US6137623中已知一種在首段中提及的那種類型的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)。該文件公開了一種熱操作(thermally actuated)板，其中一個(gè)加熱器夾在兩個(gè)具有不同熱膨脹系數(shù)的聚合物層之間。例如，如果兩個(gè)層在第一初始溫度具有相同的長度，那么在一個(gè)不同于初始溫度的溫度下，一個(gè)層的長度將會(huì)不同于另一個(gè)層的長度。
進(jìn)一步，該文件公開了一種包括多個(gè)熱光結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器，該多個(gè)熱光結(jié)構(gòu)設(shè)置在一個(gè)形成一反射表面的微電子襯底上，其中，通過有選擇地加熱這些熱光結(jié)構(gòu)，熱光結(jié)構(gòu)在該反射面內(nèi)引入了一種不連續(xù)性，以便能夠反射或者吸收沖擊輻射。
這種已知熱光結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是它們是用傳統(tǒng)的微電子或微機(jī)械技術(shù)來制造的，這其中還需要若干掩模和刻蝕步驟。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種如在首段中提及的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)以及一種能用本身就很簡單的技術(shù)來制造的熱光調(diào)制器。為了達(dá)到這個(gè)目的，本發(fā)明的第一方面提供如權(quán)利要求1中描述的一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且本發(fā)明的第二方面提供如權(quán)利要求6中所要求的一種熱光調(diào)制器。其中，本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識，即在例如液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)的取向聚合物的情況下，排列好的液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)在平行于分子指向矢(director)的方向上的熱膨脹不同于垂直于分子指向矢的方向上的熱膨脹。如果微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)層是彼此附著的，那么溫度的改變將導(dǎo)致該微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的彎曲。這種熱膨脹行為是可逆的。
在該應(yīng)用中，指向矢是指取向聚合物分子的縱軸線的平均指向。
如果在單一的襯底上制作有不止一個(gè)微機(jī)械結(jié)構(gòu)，那么就能獲得熱光調(diào)制器。熱光調(diào)制器是基于這樣的事實(shí)，即每個(gè)微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的聚合物層具有吸收染料或反射涂層，并且以這樣的方式定位在一個(gè)透明襯底上，即在處于第一溫度的第一狀態(tài)中，這些微機(jī)械結(jié)構(gòu)能擋住一部分下面的表面并能阻擋入射光，而在處于第二溫度的第二狀態(tài)中，它們能經(jīng)由透明襯底而透射一部分入射光。
權(quán)利要求2說明了一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例。液晶聚合材料是單體的反應(yīng)產(chǎn)物或者是包含反應(yīng)基的單體混合物的反應(yīng)產(chǎn)物。這種聚合材料具有液晶團(tuán)簇能在聚合之前被定向的優(yōu)點(diǎn)。聚合作用使得這種定向固定為在其初始狀態(tài)下的取向，而在初始狀態(tài)中已經(jīng)進(jìn)行了誘導(dǎo)定向。這些液晶材料本身可從公開的國際專利申請WO97/44409中知曉。
權(quán)利要求3中說明了又一個(gè)實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)是由具有扭曲的指向矢圖(twisted director pattern)的單層聚合材料制成時(shí)，那么可獲得固有的機(jī)械連接。這個(gè)實(shí)施例可由一個(gè)模通過光復(fù)制(photoreplication)來制成，該模具有定向誘導(dǎo)層，該定向誘導(dǎo)層可以在液晶單體的單體狀態(tài)中建立不同的但是可良好控制的分子取向，這些分子取向隨后可在光致聚合過程中被固定下來。
優(yōu)選地，該液晶材料是被平面定向的，該單層一側(cè)的指向矢被定向?yàn)槠叫杏谠搯螌?，而該單層另一?cè)的指向矢被定向?yàn)榇怪庇谠搯螌印?br> 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造在首段中提及的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的方法，該方法應(yīng)用起來相對簡單。該目的通過如權(quán)利要求9說明的方法實(shí)現(xiàn)。在該方法中，熱光調(diào)制器或微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)由一個(gè)模通過光復(fù)制來制成，該模具有定向誘導(dǎo)層，該定向誘導(dǎo)層可以在液晶單體的單體狀態(tài)中建立不同的但是可良好控制的分子取向，這些分子取向隨后可在光致聚合過程中被固定下來。
更多的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中說明。
通過參考下文中描述的具體實(shí)施方式
，本發(fā)明的這些和其它方面是顯而易見并將被闡明。
在附圖中

圖1是一種已知的聚合物雙層元件；圖2是一種示意性的C6H和C10H的聚合物網(wǎng)絡(luò)；圖3是聚C6H和聚C10H液晶網(wǎng)絡(luò)的熱膨脹圖；圖4圖表地示出了在溫度變化時(shí)將會(huì)彎曲的扭曲液晶網(wǎng)絡(luò)；圖5是制作扭曲液晶分子結(jié)構(gòu)的復(fù)制過程的過程步驟；圖6圖表地示出了一種熱光調(diào)制器；和圖7是作為溫度函數(shù)的熱光調(diào)制器的透射率溫度圖。
圖1圖表地示出了一種微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)10，包括兩個(gè)取向聚合物材料的層12、14，這兩個(gè)層的長度為h，厚度分別為d1和d2，這兩個(gè)層在第一方向和第二方向上分別具有不同的熱膨脹系數(shù)。第一層12的取向聚合物的分子指向矢n1垂直于第二層14的取向聚合物的分子指向矢n2。優(yōu)選地，該取向聚合物是由液晶單體制成。
進(jìn)一步，第一和第二層12、14可由相同的液晶聚合材料制成。在這種液晶聚合材料中，在一定方向上的熱膨脹依賴于該方向相對于液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分子指向矢的取向。在這個(gè)例子中，與液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分子指向矢一致的方向上的膨脹系數(shù)最大。
圖2示出了適合的液晶材料C6H和C10H的聚合物網(wǎng)絡(luò)的分子圖16。
圖3示出了通過將單體C6H和C10H聚合而形成的兩種液晶網(wǎng)絡(luò)在定向狀態(tài)中作為溫度函數(shù)的熱膨脹圖。曲線20顯示出聚合C6H在垂直于指向矢方向上的熱膨脹，而曲線22顯示出聚合C6H在平行于指向矢方向上的熱膨脹。
曲線24顯示出聚合C10H在垂直于指向矢方向上的熱膨脹，而曲線26顯示出聚合C10H在平行于指向矢方向上的熱膨脹。從圖3中可見，在預(yù)定方向上熱膨脹的區(qū)別是很明顯的。因此，當(dāng)在室溫下平直但是具有相互垂直的指向矢的兩層液晶聚合材料彼此附著以便形成微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)時(shí)，這些層在溫度變化時(shí)會(huì)被迫彎曲。這是由不同的熱膨脹造成的。該層在垂直于指向矢方向上的熱膨脹高，而該層在平行于指向矢方向上的熱膨脹低并且甚至可以是負(fù)值。
圖4示出了一種由單層液晶聚合材料制成的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)40，該液晶聚合材料具有扭曲的指向矢圖42，其中，兩層之間的機(jī)械連接被固有地獲得。在更高溫度時(shí)，例如，一側(cè)44沿著線46膨脹，相對一側(cè)48沿著線50收縮。結(jié)果，該層在沿著線52的方向上彎曲。
可選擇地，該液晶分子是成張開地定向的，該單層的一側(cè)的指向矢被平行于該單層定向，而該單層的另一側(cè)的指向矢被垂直于該單層定向。
圖5示出了具有扭曲分子排列的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)制造方法的流程圖。在第一步54中，帶有所需表面間隙58的模56具有定向誘導(dǎo)層60，表面間隙58依賴于所需的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的外形，該表面間隙58例如可以用光配向(photo-alignment)層60來涂覆。適合的光配向?qū)佑糜谙蚰?6提供能局域地提供液晶單體的預(yù)定分子取向的取向?qū)?。這些光配向?qū)邮抢缁谌夤瘐?，該肉桂酯可通過暴露在偏振光下而進(jìn)行各向異性1.2環(huán)加成作用。這些光配向?qū)涌蓮奈墨I(xiàn)<“photoalignment andphoto-patterning of planar and homeotropic liquid-crystal-displayconfiguration”，by H.Sieberle and M.Shadt，Journal SID，8/1，67-70，2000>以及文獻(xiàn)<“Photoinduces surface alignment for liquid crystaldisplays”by M.O’Neill and S.M.Kelly in Journal of PhysicsDAppl.Phys.，33，R67-R84，2000>中獲知。
可選擇地，該光配向?qū)涌苫诠饷艟埘啺?，通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員所選擇的光致反應(yīng)，該光敏聚酰亞胺提供了各向異性以便對與光配向?qū)?0接觸的液晶材料進(jìn)行排列。光配向?qū)邮鞘袌錾峡少I到的并且能從Vantico、JSR和Nissan獲得。
在隨后的步驟62中，表面間隙58暴露在具有第一線性偏振方向的紫外光下。在下一個(gè)隨后的步驟64中，該表面間隙暴露在具有第二線性偏振方向的紫外光的照射下，該第二線性偏振方向不同于第一偏振方向。這些曝光在模表面間隙58處提供了一種預(yù)定的定向誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)。也有可能不需要曝光而施加一層垂直于模56的表面定向液晶分子的光配向?qū)?，并且在有紫外光照的時(shí)候?qū)⒁壕Х肿訉R在一預(yù)定的平面方向上。這種類型的光配向具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即在準(zhǔn)備模的過程中只需單次曝光就能在反應(yīng)的液晶單體中提供預(yù)定的指向矢朝向。
在下一個(gè)隨后的步驟66中，襯底68對著模56放置，并且反應(yīng)的液晶單體70被擠壓在模56和襯底68之間。在一個(gè)等待期中可獲得液晶單體內(nèi)的預(yù)定分子指向，在該等待期之后，該單體通過在紫外輻射下曝光而被聚合。優(yōu)選地，在該等待期中，可進(jìn)行一個(gè)熱處理步驟以便促進(jìn)獲得液晶單體的預(yù)定分子指向。一種適合的液晶單體是C6H或C10H。
在下一個(gè)隨后的步驟72中，移去模54并獲得微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)73。圖5中的模54形成單個(gè)微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)73。但是，也有可能成形一種用于在單個(gè)襯底上形成微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)陣列的模，以便制造熱光調(diào)制器。
圖6示出了包括聚合物壁75的熱光調(diào)制器74。在第一溫度下，聚合物壁75垂直于優(yōu)選是透明的襯底76。優(yōu)選地，該聚合物壁75具有反射涂層(未示出)，例如Al、Ag或Au。也有可能該聚合物壁74具有吸收涂層(未示出)，例如CrO2。
可選擇地，該聚合物壁75通過添加諸如碘聚乙酸乙烯酯(iodinepolyvinylacetate)的二色性主客染料而制成是自吸收的，該染料傳統(tǒng)上是施加在液晶顯示裝置所使用的偏振器中。在未變形的狀態(tài)，該聚合物壁75是平直的并且該熱光調(diào)制器74經(jīng)由透明襯底72透射了基本上所有的入射光77。在處于第二更高的溫度下的第二變形狀態(tài)中，熱光調(diào)制器74的聚合物壁72彎曲并且因而阻擋了基本上所有的入射光77。相反方向的箭頭表明，當(dāng)溫度復(fù)原到其初始值時(shí)，該轉(zhuǎn)換過程是可逆的。
這種熱光調(diào)制器的透射率可用公式(1)來計(jì)算Tr=p-(d1+d2)-ξp·100%--(1)]]>其中Tr表示透射率，P表示襯底上相鄰聚合物壁之間的節(jié)距或間距，d1、d2表示每一個(gè)壁的第一層和第二層各自的厚度，和ξ表示投影變形。
該投影變形可以使用公式(2)從分別垂直和平行于指向矢的熱膨脹系數(shù)γ1和γ2估計(jì)得到 其中，h表示聚合物壁的厚度而r是用公式(3)計(jì)算得到的r=d1(1+γ2ΔT)+d2(1+γ1ΔT)(γ1-γ2)ΔT---(3)]]>對于液晶聚合材料，熱膨脹系數(shù)γ1和γ2在所構(gòu)成的聚合物的玻璃化溫度附近開始彼此偏離。結(jié)果，在該玻璃化溫度附近的透射率呈現(xiàn)出陡峭的轉(zhuǎn)變。這對具有不同壁幾何結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器來說是典型的。
圖7示出了表示熱光調(diào)制器的透射率作為溫度的函數(shù)的圖81，該用于一個(gè)設(shè)備的熱光調(diào)制器對于不同高度而具有20微米的恒定節(jié)距p并且具有2微米的厚度d1、d2。曲線82～85示出了作為溫度T的函數(shù)的透射率Tr，聚合物壁的高度h分別為10、20、30和40微米。
進(jìn)一步，圖7示出了表示熱光調(diào)制器的透射率作為溫度的函數(shù)的圖86，該用于一個(gè)設(shè)備的熱光調(diào)制器對于不同節(jié)距而具有30微米的恒定高度h并且具有2微米的厚度d1、d2。曲線87～90示出了作為溫度T的函數(shù)的透射率Tr，聚合物壁的節(jié)距p分別為10、20、30和40微米。
很明顯，在不偏離權(quán)利要求書的范圍的本發(fā)明的范圍內(nèi)可能有很多的變化。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)，包括兩層在第一方向和第二方向上分別具有不同熱膨脹系數(shù)的材料，第一方向橫向于第二方向，并且所述兩層包含取向聚合物，所述第一層的取向聚合物的分子指向矢橫向于所述第二層的取向聚合物的分子指向矢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)，其中，所述取向聚合物包括液晶聚合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)，其中，所述兩層構(gòu)成一單層，其中在所述單層的一側(cè)上的液晶分子的指向矢相對于在所述單層的相對側(cè)上的液晶分子的指向矢被旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)，其中，所述液晶分子是被張開地定向的，其中所述單層的一側(cè)的指向矢被平行于所述單層定向，而所述單層相對側(cè)的指向矢被垂直于所述單層定向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)，其中，所述液晶分子的指向矢平行于所述層。
6.一種熱光調(diào)制器，包括在襯底上排列好的多個(gè)如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱光調(diào)制器，其中，所述層具有反射涂層或吸收涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱光調(diào)制器，其中，所述取向聚合物層包含用于吸收光的二色性主客染料。
9.一種制造微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟——成形一帶有所需要的表面間隙的模，用于復(fù)制所述微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的形狀；——為所述模提供一定向誘導(dǎo)層，以便在液晶單體的單體狀態(tài)中獲得分子取向；——在所述模和襯底之間擠壓反應(yīng)的液晶單體材料；——聚合所述液晶單體材料；——從所述襯底上移去所述模，從而獲得襯底上的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的方法，其中，為所述模提供一定向誘導(dǎo)層的步驟進(jìn)一步包括步驟用一光配向?qū)油扛菜瞿５谋砻?；和將所述光配向?qū)颖┞队谧贤廨椛湎?，以便獲得一個(gè)將所述模表面上的液晶分子的指向矢誘導(dǎo)至預(yù)定方向上的結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)的方法，其中，將所述光配向?qū)颖┞兜牟襟E包括兩個(gè)子步驟——將所述光配向?qū)颖┞队诰哂械谝痪€性偏振方向的紫外輻射下；和——將所述光配向?qū)颖┞队诰哂械诙€性偏振方向的紫外輻射下，該第二偏振方向不同于第一偏振方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于調(diào)制光束的微機(jī)械熱結(jié)構(gòu)和制造該結(jié)構(gòu)的方法。該微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括兩層在第一方向和第二方向上分別具有不同熱膨脹系數(shù)的材料，第一方向橫向于第二方向，并且所述兩層包含取向聚合物，所述第一層的取向聚合物的分子指向矢橫向于所述第二層的取向聚合物的分子指向矢。這種微機(jī)械結(jié)構(gòu)的陣列可以形成用于調(diào)制光的熱光調(diào)制器。該方法包括提供具有定向誘導(dǎo)層的模的步驟，以便在液晶單體的單體狀態(tài)中獲得分子取向，還包括用光致聚合作用固定該分子取向的步驟。
文檔編號C08J5/18GK1729086SQ200380106855
公開日2006年2月1日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者D·J·布羅爾, G·N·莫爾, C·M·R·德維茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司