Brevet FR2509073A1 — publié le 19830107

La présente invention se rapporte aux dispositifs d'affi- chage en général Elle concerne plus particulièrement un disposi- tif d'affichage miniature, de type électrostatique, permettant la réalisation de cellules d'affichage utilisables notamment dans les appareils portatifs alimentés par une pile, tels que les mon- tres et calculatrices électroniques. Des efforts considérables ont été faits pour trouver et dé- velopper des systèmes d'affichage ayant une bonne esthétique, fonctionnant sous une faible tension d'alimentation, consommant très peu et réalisables à bon marché Les dispositifs d'affichage à cristaux liquides remplissaient ces conditions jusqu'à ce que la consommation des circuits électroniques et en particulier des circuits intégrés en technologie CMOS soit abaissée à un point tel que la contribution de l'affichage à la consommation globale cesse d'être négligeable Par ailleurs, la commande de tels dis- positifs est complexe et leur contraste et leur esthétique ne sont pas des meilleurs. Parmi les dispositifs d'affichage à faible consommation on peut citer celui connu sous le nom "The Distec System" et décrit dans le document "An Electrostatic Sign-The Distec System", W.R Aiken, Display Technology Corp, Cupertino, Cal, USA Ce dispositif est utilisé comme enseigne ou panneau publicitaire de grandes dimensions Il comprend des modules formés de volets sus- pendus à un axe par des charnières et susceptibles de tourner sous l'action d'un champ électrique appliqué par un système d'électrodes La tension de commande est d'environ 3000 volts. L'adaptation de ce système pour obtenir un affichage miniature à faible tension de commande n'a cependant jamais été suggérée. On connaft encore des dispositifs modulateurs de lumière utilisant des membranes déformables sous l'action d'un champ élec- trique ou d'un faisceau d'électrons et réalisables à l'aide des techniques dérivées de la fabrication des circuits intégrés De tels modulateurs sont décrits par exemple dans les brevets améri- cains Nos 3 600 798 et 3 886 310 Le premier document montre un dispositif permettant de moduler la quantité de lumière transmise par déformation d'une membrane sous l'action d'un champ électrique et le deuxième document décrit un dispositif permettant de modifier l'angle de réflexion de la lumière par déformation d'une membrane sous l'action d'un faisceau d'électrons Aucun de ces dispositifs ne constitue cependant un dispositif d'affichage, l'amplitude du mouvement de la membrane étant dans les deux cas très faible et l'existence d'une source de lumière supplémentaire étant nécessaire. Un objet de la présente invention est un dispositif d'affi- chage miniature ayant une consommation très faible, présentant un excellent contraste, fonctionnant sous une faible tension d'ali- mentation et pouvant être réalisé avec la technologie des circuits intégrés électroniques. Un autre objet de l'invention est un dispositif d'affichage miniature dont la commande est multiplexable. Pour réaliser ces objets, le dispositif d'affichage selon l'invention comporte un support pourvu de cavités et des volets maintenus au support par des attaches élastiques, lesdits volets obturant lesdites cavités à l'état de repos et étant susceptibles, pour ouvrir les cavités, de tourner sous l'action d'un champ élec- trique; ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte-: au moins une paire de volets par cavité, chaque vo- let d'une paire étant maintenu audit support par deux attaches élastiques qui sont situées de part et-d'autre du volet et dans le prolongement du côté adjacent à l'autre volet de ladite paire; des moyens de commande pour créer un champ électri- que capable de faire tourner une ou plusieurs paires de volets; et des moyens de maintien pour maintenir dans un état activé les volets d'une même paire en l'absence dudit champ élec- trique nécessaire pour les faire tourner. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présen- te invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription suivante d'exemples de réalisation particuliers, ladite description étant faite à titre purement illustratif et en rela- tion avec les dessins joints dans lesquels: -2- -3- la figure 1 est un schéma partiel du dispositif d'af- fichage selon l'invention; la figure 2 montre un exemple d'affichage dans un arrangement matriciel d'éléments d'affichage; la figure 3 est un diagramme des tensions de comman- de et de maintien réalisant l'affichage de la figure 2; les figures 4 a et 4 b montrent un exemple de réali- sation des volets; la figure 5 est une coupe partielle du dispositif d'affichage selon l'invention; et la figure 6 montre, en coupe, une autre variante du dispositif d'affichage de l'invention. La figure 1 montre un schéma partiel du dispositif d'affi- chage selon l'invention Un support isolant 1 est pourvu d'une pluralité de cavités 2, ayant une forme généralement rectangulai- re Les cavités 2 sont obturées par des volets V, de forme éga- lement rectangulaire, qui sont attachés au support 1 par deux at- taches élastiques 3 situées de part et d'autre desdits volets. Les volets V sont groupés par paires et sont tels que les atta- ches élastiques 3 des volets d'une même paire sont dans le pro- longement de leurs côtés adjacents Les volets V et leurs atta- ches sont, au moins partiellement, constitués par un matériau conducteur et, pour une même ligne de volets, un volet de chaque paire est relié à une première électrode, ai ou a 2, tandis que l'autre volet est relié à une deuxième électrode, bl ou b 2 A chaque colonne de paires de volets est associée une contre-élec- trode ou électrode de commande, Cl à C 4, qui apparaît en regard de chaque paire de volets sur le fond des cavités 2. Le dispositif d'affichage de la figure 1 fonctionne de la manière suivante Lorsqu'une tension de commande, continue ou al- ternative, est appliquée entre les volets V d'une part et l'Elec- trode de commande qui leur est associée d'autre part, les volets quittent leur position de repos et, sous l'action du champ élec- trique E engendré par ladite tension de commande, tournent autour de leurs attaches élastiques 3 pour prendre une orientation sen- siblement perpendiculaire au plan du support L'angle dont tour- -4- nent lesdits volets dépend à la fois de l'intensité du champ électrique ainsi engendré et du couple de rappel exercé par les attaches élastiques desdits volets lorsque ceux-ci ont quitté leur position de repos Lorsqu'une paire de volets est commandée, les volets de cette paire sont très proches l'un de l'autre et il suffit alors d'appliquer entre ces volets, soit entre les élec- trodes ai et bl ou a 2 et b 2, une tension de maintien pour qu'ils s'attirent mutuellement et que la tension de commande puisse être supprimée Les volets V reviennent dans leur position de repos, c'est-àdire parallèle au plan du support 1, grâce au couple de rappel exercé par les attaches élastiques 3, lorsque les tensions de commande et de maintien sont supprimées. Les mécanismes, exposés ci-dessus, de commande et de main- tien des volets offrent l'avantage, comme on le verra ci-après, de permettre une commande multiplexée du dispositif de l'inven- tion. Un exemple de commande multiplexée est expliqué plus en dé- tail en relation avec les figures 2 et 3 La figure 2 montre schématiquement un arrangement matriciel de neuf éléments d'affi- chage Ell à E 33 répartis en trois lignes et trois colonnes Cha- que élément d'affichage est entendu comprendre au moins une paire de volets dont l'un est relié à une première électrode de ligne ai, a 2 ou a 3, et dont l'autre est relié à une deuxième électrode de ligne bl, b 2 ou b 3 Les éléments d'une même colonne sont com- mandés par une même électrode Cl, C 2 ou C 3 Le diagramme de la figure 3 montre un exemple des signaux à appliquer aux électro- des de ligne et de colonne pour permettre l'affichage des élé- ments E 12, E 21, E 23 et E 32 de la figure 2 A l'instant t O, tous les éléments sont remis à zéro; puis de l'instant t O à l'instant t 3 les trois lignes sont activées en succession temporelle Ainsi, des tensions VS et VS-VM sont appliquées respectivement aux élec- trodes de ligne ai et bl entre les instants t O et ti, aux élec- trodes de ligne a 2 et b 2 entre les instants ti et t 2 et aux élec- trodes de ligne a 3 et b 3 entre les instants t 2 et t 3 L'afficha- ge d'un ou plusieurs éléments d'une ligne donnée est commandé en appliquant sur la ou les électrodes de commande correspondantes une tension -VS, simultanément à l'activation de ladite ligne. Le maintien de l'affichage des éléments d'une même ligne, en de- hors de l'intervalle de temps o cette ligne est activée, est ob- tenu grâce à la tension de maintien VM appliquée entre les élec- trodes de ligne Dans l'exemple choisi, la tension de maintien existe en permanence tant qu'il n'y a pas une remise à zéro de l'affichage; elle n'est en fait nécessaire, pour une ligne donnée, qu'en dehors des périodes d'activation de cette ligne et pour au- tant que des éléments de cette ligne doivent être affichés La tension VS est déterminée de manière qu'elle soit insuffisante pour faire tourner complètement les volets et que le double de sa valeur, soit 2 VS, les fasse tourner complètement (On admet que les volets ont tourné complètement s'ils peuvent être pris en charge par la tension de maintien) Ainsi, lorsqu'un élément ne doit pas être affiché, ses électrodes de ligne auxquelles sont reliés les volets de cet élément sont soumises à une tension VS, à la tension VM près pour la deuxième électrode, alors que son électrode de commande est maintenue à un potentiel zéro. Les volets V doivent être conducteurs On verra plus loin qu'une solution avantageuse consiste à réaliser les volets en aluminium sur un support isolant, tel le silicium Il est cepen- dant évident que des moyens doivent être prévus pour que les vo- lets d'une même paire ne puissent jamais être en contact électrî- que l'un avec l'autre L'un de ces moyens va être décrit en rela- tion avec les figures 4 a et 4 b. La figure 4 a montre un volet V, muni de nervures 31, avec ses attaches élastiques 3 et la figure 4 b montre une coupe selon l'axe A-A de la figure 4 a Ainsi qu'il apparalt sur la figure 4 b, le volet V est réalisé en partie en un matériau conducteur (par exemple l'aluminium) et en partie en un matériau isolant (par exemple le fluorure de magnésium) La partie conductrice recouvre toute la partie supérieure du volet alors que la partie isolante n'existe, sur la partie inférieure du volet, qu'au niveau des ner- vures 31 Les nervures 31 sont disposées de manière que, lorsque deux volets de la même paire sont activés, leurs parties isolées soient en regard les unes des autres, ce qui fixe la distance en- tre les parties conductrices des volets La réalisation de nervu- res permet ainsi d'isoler les volets d'une même paire; elle offre -6également l'avantage de rigidifier les volets et d'améliorer leur aspect esthétique. Un autre moyen pour éviter le contact électrique entre les volets d'une même paire consiste à prévoir un arrêt sur le fond même de la cavité Cet arrêt peut être réalisé par un bossage 4 (figures 5 et 6) du fond de la cavité s'étendant en dessous des axes de rotation des volets et dont la largeur est-approximative- ment égale à la distance qui sépare deux volets de la même paire. La figure 5 montre une coupe partielle du dispositif d'af- fichage selon l'invention Les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références On reconnaît ainsi le sup- port isolant 1, pourvu de cavités 2 Des volets Vl et V 2 sont re- présentés; l'un Vl, en position activée et l'autre, V 2, en posi- tion de repos Le support 1 repose sur une plaque transparente 7. qui porte, sur sa face intérieure, les électrodes de commande C, elles-mêmes transparentes La plaque transparente 7 est recouver- te, sur sa face extérieure, d'une couche 8 de matériau absorbant la lumière La face supérieure du dispositif est protégée par une deuxième plaque transparente 6, maintenue à distance convenable par des éléments espaceurs 9 Les plaques transparentes 6 et 7 et les éléments espaceurs 9 forment, pour le dispositif, une encein- te de protection qui peut être rendue étanche A titre d'exemple, les parois transparentes peuvent être en verre et les éléments espaceurs en matière plastique La figure 5 montre encore des dé- gagements 5 réalisés dans le support 1 sous les attaches élasti- ques 3 Les dégagements 5 ont une fonction de support des atta- ches élastiques et limitent le déplacement des volets vers le bas de manière qu'ils ne puissent jamais toucher le fond des cavités. On a également représenté l'un des moyens d'arrêt mentionnés pré- cédemment Ce moyen consiste en un bossage 4 réalisé au fond des cavités 2 et empêchant les volets d'une même paire d'être en con- tact l'un avec l'autre en position activée La figure 5 montre également comment les rayons incidents Li sont réfléchis par les volets, tel V 2, en position de repos ou sont absorbés par la cou- che 8 en matériau absorbant la lumière lorsque les volets, tel Vi, sont en position activée. -7- La figure 6 est une coupe partielle d'une variante de l'in- vention Selon cette variante, chaque électrode de commande est constituée en fait par deux électrodes Ainsi C'1 et C"l consti- tuent les électrodes de commande de la première colonne de volets tels V'l et V"i 1, C'2 et C" 2 constituent les électrodes de comman- de de la deuxième colonne de volets, tels V'2 et V" 2 et ainsi de suite L'électrode C'1 est associée au volet V'1 et l'électrode C" 1 est associée au volet V"i La paire de volets V'l et V" 1 sera VM activée en portant, par exemple, le volet V'1 à une tension VS 2 ' l'électrode de commande C'1 à une tension -VS V-, le volet V" 1 à une tension VS + VM et l'électrode de commande C"I à une tension -VS + V 2 Selon cette variante, la même différence de tension 2 VS existe entre un volet et son électrode de commande, ce qui n'était pas le cas des variantes précédentes Les tensions de commande peuvent être alternées d'une paire à la suivante pour éviter que la tension de maintien VM existe entre deux volets ad- jacents de deux paires distinctes Ainsi, avec les tensions indi- quées ci-dessus pour la paire de volets V'1 et V" 1, les volets V'2 et V 12 seront portés respectivements aux potentiels VS + 2 -VM 2 et VS 2 tandis que les électrodes C'2 et C" 2 seront portées respectivement aux potentiels -VS + et -VS V. 2 2 Une autre manière également avantageuse de réaliser la com- mande du dispositif de la figure 6 consiste à appliquer une ten- sion +VS au volet V'1 et à l'électrode de commande C" 1 et une tension VS au volet V" 1 et à l'électrode de commande C'1 Les volets sont alors activés à l'aide d'une tension égale à 2 VS et leur maintien sera assuré même si les électrodes de commande sont ramenées à une tension nulle. La figure 6 montre encore que le dispositif peut également être utilisé en transmission lorsqu'il n'y a pas de couche en ma- tériau absorbant Les volets agissent dans ce cas comme des val- ves optiques qui laissent passer la lumière incidente Li lorsque les volets sont en position activée et qui la réfléchissent lorsqu'ils sont en positon de repos. Le dispositif de l'invention peut avantageusement être réa- lisé en faisant appel à la technologie des circuits intégrés élec- troniques Le support sera, dans ce cas, une plaquette en silicium. Les volets, leurs attaches élastiques et les électrodes de ligne seront réalisés par dépôt et gravure d'une couche d'aluminium d'une épaisseur d'environ 50 à 200 nanomètres, sur une première face de la plaquette Si les volets comportent des nervures, le dépôt d'aluminium sera précédé par la gravure préalable de la plaquette puis par le dépôt et la gravure de la couche isolante (Mg F 2) Les cavités seront réalisées en attaquent le silicium par la deuxième face de la plaquette Lorsque l'attaque atteint la face inférieure des volets, elle est arrêtée et les volets sont libérés Le fond des cavités est constitué par une plaque de ver- re, sur laquelle les électrodes de commande transparentes ont été déposées selon des techniques connues dans les affichages à cris- taux liquides. Le dispositif de l'invention peut être réalisé en utilisant d'autres matériaux de base que le silicium Ainsi le support pourra également être un isolant comme le saphir ou une matière plastique telle que celles commercialisées sous le nom de "Kapton" ou de "Mylar". Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide d'exemples de réalisation particuliers, il est clair cependant qu'elle n'est nullement limitée auxdits exemples et qu'elle est susceptible de variantes ou modifications sans sortir de son do- maine En particulier, il est clair que le dispositif de l'inven- tion peut être réalisé sous la forme d'une matrice de points, chaque point étant constitué par une ou plusieurs paires de vo- lets, ou sous la forme de segments, eux-mêmes constitués par plu- sieurs paires de volets Par ailleurs, l'utilisation d'une pla- quette en matériau semiconducteur permet de réaliser simultané- ment l'affichage et ses circuits de commande. -9- REVEND I CATI ONS 1 Dispositif d'affichage miniature comportant un support( 1) pourvu de cavités ( 2) et des volets (V) maintenus au support par des attaches élastiques ( 3), lesdits volets obturant lesdites ca- vités à l'état de repos et étant susceptibles, pour ouvrir les cavités, de tourner sous l'action d'un champ électrique (E); ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte: au moins une paire de volets (V) par cavité ( 2), chaque volet d'une paire étant maintenu audit support par deux attaches élastiques ( 3) qui sont situées de part et d'autre du volet et dans le prolongement du côté adjacent à l'autre volet de ladite paire; des moyens de commande pour créer un champ électri- que (E) capable de faire tourner une ou plusieurs paires de vo- lets; et des moyens de maintien pour maintenir dans un état activé les volets d'une même paire en l'absence dudit champ élec- trique nécessaire pour les faire tourner. 2 Dispositif d'affichage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens de commande consistent en des premières électrodes (a,b) placées sur lesdits volets, des deuxiè- mes électrodes (C) placées sur le fond desdites cavités et des moyens pour appliquer une tension de commande entre lesdites pre- mières et deuxièmes électrodes. 3 Dispositif d'affichage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens de maintien consistent en des moyens pour appliquer une tension de maintien entre les électro- des des volets d'une même paire et en des moyens d'arrêt pour em- pêcher, lorsque ces volets sont activés, un contact électrique entre les électrodes de ces volets. 4 Dispositif d'affichage selon la revendication 3, carac- térisé en ce que lesdits moyens d'arrêt sont constitués par des bossages ( 4) réalisés sur le fond desdites cavités. -10- -2509073 Dispositif d'affichage selon la revendication 3, carac- térisé en ce que lesdits moyens d'arrêt sont constitués par une couche isolante ( 31) recouvrant au moins partiellement la face inférieure desdits volets. 6 Dispositif d'affichage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que des dégagements ( 5) sont prévus dans ledit sup- port sous lesdites attaches élastiques. 7 Dispositif d'affichage selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il est placé à l'intérieur d'une enceinte fermée ayant une première et une deuxième parois ( 6,7) sensiblement parallèles au plan dudit support et en ce que ladite première pa- roi ( 6) est transparente. 8 Dispositif d'affichage selon la revendication 7, carac-. térisé en ce que ledit support est solidaire de ladite deuxième paroi ( 7) qui constitue le fond desdites cavités sur lequel sont disposées lesdites deuxièmes électrodes (C). 9 Dispositif d'affichage selon la revendication 8, carac- térisé en ce que ladite deuxième paroi est constituée au moins partiellement par un matériau ( 8) absorbant la lumière. Dispositif d'affichage selon la revendication 8, carac- térisé en ce que ladite deuxième paroi ( 7) et lesdites deuxièmes électrodes (C) sont transparentes. 11 Dispositif d'affichage selon la revendication 3, carac- térisé en ce que lesdites paires de volets sont disposées en li- gnes et en colonnes et en ce que lesdites premières électrodes d'une même ligne sont connectées ensemble et lesdites deuxièmes électrodes d'une même colonne sont connectées ensemble. 12 Dispositif d'affichage selon la revendication 11, carac- térisé en ce que la commande desdites lignes est multiplexée dans le temps. 13 Dispositif d'affichage selon la revendication 11, carac- térisé en ce que lesdites deuxièmes électrodes sont formées cha- cune de deux demi-électrodes (C', C"). 14 Dispositif d'affichage selon la revendication 3, carac- térisé en ce que ledit support est en silicium. Dispositif d'affichage selon la revendication 14, carac- térisé en ce que lesdits volets et leurs attaches élastiques sont en aluminium.