MEMS阵列系统和操纵物体的方法与流程

本发明涉及一种物体转移装置，包括能够操纵物体的微机电系统(mems,micro-electromechanicalsystem)元件阵列。进一步地，本发明涉及一种使用mems阵列将微米级物体(例如微发光二极管(microlight-emittingdiodes,μleds))从源基板移动到模板基板的拾取和放置转移方法。

背景技术：

微发光二极管(microlight-emittingdiodes,μleds)应用在先进的显示技术中。μled显示技术有望超越有机电激光显示(organicelectroluminescencedisplay,oled)，可能成为未来十年内取代液晶显示器(liquidcrystaldisplay,lcd)显示技术的主流显示技术的竞争者之一。然而，由于μleds从源基板(例如生长晶片)到目标显示基板的质量传递的复杂性，μled显示器的大规模生产的开发已经达到了瓶颈。目前转移率和效率太低，无法大规模生产大型显示器。诸如平板电脑或电视机之类的大型显示器需要将数百万μleds从源晶片转移到显示器基板上，并且转移率小于100％，在制造需要数量的μled显示器时，坏点成为重要问题。

用于转移μleds的主要拾取和放置装置之一是弹性压印器，例如公开号为wo2016/012406(bower等人，2016年1月28日公开)的专利中描述的压印器和转移方法。所述装置包括一聚合物压印器，所述聚合物压印器具有粘附力随速率变化的特性，允许通过改变压印器的移动速度来拾取和放置μleds。公开号为wo2016/116889(chaji等人，2016年7月28日公开)的专利中描述了一种通过采用吸引力、排斥力和弱化力的组合在供体基板和接收基板之间直接转移的方法。公开号为wo2013/119671(biblet等人，2013年8月15日公开)的专利公开了一种类似压印器的转移头，其用于利用静电力拾取和放置微型器件。

图17是举例说明这些传统的基于压印器的方法，例如使用一弹性压印器或弹性压印转移头的方法。图17描绘了一压印器200，所述压印器200具有包括多个转移头202的阵列。通过操纵经由转移头202施加的静电力、弹力或其他类似的力，压印器200从源晶片206拾取微型器件204(例如μleds)的阵列。然后压印器200可以移动微型器件204并将它们粘合到一显示基板208。通过操纵相关的力释放微型器件204以放置在显示基板208上。

如图17所示，源晶片206的分辨率，即每单位面积的微型器件204的数量，通常明显大于显示基板208的分辨率。静电压印器和弹性压印器都按照显示基板208的分辨率从源晶片206拾取一部分微型器件204，以允许按照显示基板208的分辨率放置。因此，由于压印器只能同时拾取和释放相同固定数量的元件，压印器200必须具有目标显示基板208的分辨率，并且必须在生长晶片206和显示基板208之间进行多次转运。图17展示了三个示例性的压印过程，并且必须以图示方式重复压印晶片，直到显示装置包括需要数量的微型器件。这为需要数百万μleds的μled显示器提供了一个拾取和放置微型器件的低效方法。

在一个完全独立的技术领域中，微机电系统是具有移动部件的微观设备。涉及一柔性膜的微机电系统(mems)的使用是众所周知的，柔性膜是通过在膜和电极之间施加电位差来致动的。这些柔性膜mems主要示范在声学装置中，例如一个mems麦克风，或者一个在公开号为gb2469412(mumullen等人，2010年10月13日公开)的专利中公开的mems超声扫描仪，两者都涉及柔性膜的声学振动。

mems设计的研究一直集中在适用于声波产生和有效驱动方法实施的结构设计上。例如，在公开号为us2003/0044029(gabriel等人，2003年3月6日公开)的专利中举例说明的数字声音重建(dsr,digitalsoundreconstruction)理论为声音产生提供低失真和高线性。为了有效，dsr需要大量可以单独控制的相同扬声器。因此，研究工作也集中在具有均匀和良好调谐特性的小型化装置的生产上。在公告号为us6829131b1(loeb等人，2004年12月7日发布)的专利中，公开了一种声学换能器，其具有使用cmos-mems技术在单个硅芯片上形成的隔膜。然后利用这种结构，可以在设备阵列内获得更高的集成度和均匀性。

在公告号为us8780673b2(cohen等人，2014年7月15日发布)和公开号为wo2014141258a1(cohen等人，2014年9月18日公开)的专利中公开了一种致动系统，其包括一个含有相同元件的阵列，所述阵列被限制沿一个方向运动并由电磁力和静电力分别致动。单个元件不是单独控制的，并且没有公开由有源矩阵控制的驱动方法。

在文献中，射频(rf,radiofrequency)开关和变容二极管领域中报道了由包括多个电极的静电致动膜组成的mems结构。在公开号为us2006/0226501a1(chou，2006年10月12日公开)，公告号为us8363380(lan等人，2013年1月29日发布)，和公告号为us8849087b2(breen等人，2014年9月30日发布)的专利中，都公开了这种装置的实例。

然而，上述领域仅提供了对mems装置能力的有限使用。

技术实现要素：

本发明描述了一种能够将大量微米级物体(例如μleds)从一源基板或晶片转移到一目标基板的系统和方法。根据源基板的分辨率拾取微米级物体，并且以目标基板的分辨率选择性地重新分布微米级物体，使本发明的系统和方法远比现有的转移装置和方法更有效。所述系统实现为一薄膜晶体管(tft,thinfilmtransistor)控制的mems阵列系统，与传统配置相比，tft控制的mems阵列系统提供了更加通用的拾取和放置技术，还具有更换单独的坏点的能力，有效地使总转移率达到100％。mems阵列装置通过利用mems元件产生力来操纵微米级物体，每个mems元件通过致动柔性膜作用在单个微米级物体上。柔性膜mems的一种此前未被开发的能力是通过膜的弯曲在微米尺度上产生吸引力。一柔性膜mems可用于产生一种能用于操作或移动微米级物体的吸力。

可以使这种微操纵适用的领域是微型电子设备的拾取和放置。例如，使用mems吸引力的微操纵可用于帮助在印刷电路板(pcb,printedcircuitboard)上组装小部件。作为另一个示例，如上所述，使用mems吸引力的微操纵可以用于将微发光二极管(μleds)从一源基板转移到一显示或目标基板。使用mems吸引力的微操纵也可以应用在生物学和化学中，用于微小物体(例如细胞或少量化学物质)的微精确操作。

所述mems阵列系统包括一个由mems元件组成的二维阵列，通过致动每个mems元件的柔性膜产生力。在具体实施例中，mems元件包括一个柔性膜，一个用于致动柔性膜的电极结构，以及一个当定位在被拾取物体上方时在物体上方形成一气隙形式的间隙区域的支脚。所述间隙区域的存在为膜弯曲提供了间隙空间，并且还防止膜容易损坏。所述柔性膜可以锚固到一个壳体结构，所述壳体结构可以由诸如多晶硅的普通mems材料制成。可以通过所述电极结构在所述柔性膜上施加电压以控制致动。

所述mems元件可用于通过以下过程作用于微米级物体。处于关闭状态的所述mems元件设置于物体上方，并且mems元件的支脚放置在物体的平坦表面上，在物体和柔性膜之间留下所述间隙区域气隙。通过在电极结构上施加电压差以使所述膜向上偏转，所述mems元件切换到“接通”状态，这降低了所述间隙区域中的压力。这种相对于环境空气压力的压力降低产生作用在物体上的吸力，因此物体通过由负压产生的吸力的作用保持在所述mems元件上。此时，所述mems元件可以对物体执行操纵动作，例如拾取物体并移动物体。当通过去除电极结构上的电压差将所述mems元件切换到“关闭”状态时，所述膜返回到其非弯曲状态并且吸力被移除，从而允许物体被释放。

一mems阵列系统包括一mems阵列，所述mems阵列具有以二维(2d,two-dimensional)阵列排列的多个mems元件，其中2d阵列的每个元件是如上所述的单独的mems元件。2d阵列的每个元件能够通过施加如上所述的mems吸力而作用于相应的微米级物体，或作用于较大宏观物体的相应区域。

包括所述2dmems阵列的所述mems阵列系统还包括一控制电路和一感测电路。发送到所述控制电路的信号可以由所述系统控制器发送。所述系统控制器还可以从所述感测电路接收信号。所述控制电路可以是一薄膜晶体管(tft)电路，其可以将信号发送到所述2dmems阵列的各个mems元件，从而允许所述mems元件的选择性致动。所述感测电路可以启用电容感测，由此，一电容感测电路用于使一系统控制器能够通过电容感测物体的存在来确定物体是否已被成功拾取或放下。以类似的方式，所述电容感测电路可以用于确定每个所述mems元件是否正确地被致动，即，可以单独检查每个mems元件。

在本发明的一个实施例中，所述mems阵列系统被用于执行一种将微米级物体(例如μleds)从源(晶片)基板转移到目标(显示器)基板的方法。μleds设置在源晶片上，并且需要从源晶片转移到要与μleds结合的显示基板上。一具有2dmems阵列的mems阵列系统能够被配置成使所述mems阵列的分辨率与一μled源晶片的分辨率匹配，从而当所述mems阵列设置于所述μled源晶片的顶部时，由于匹配的分辨率，所述mems阵列可以在一个步骤中拾取所述源晶片上的整个μleds阵列。然后，通过选择性地控制每个mems元件以在所述目标基板上的适当位置释放相应的μleds，所述mems阵列能以目标基板的分辨率选择性地沉积μleds。

本发明的一个实施例是一种用于施加吸力以操纵物体的微机电系统(mems)阵列系统。在具体实施例中，所述mems系统包括一个以n行和m列的阵列布置的多个单独mems元件的二维mems阵列，其中n和m是大于或等于1的整数。每个mems元件包括：一壳体结构；一附着在所述壳体结构上的柔性膜；和一电极结构，其中施加到所述电极结构的电压致动mems元件以使所述柔性膜相对于所述壳体结构弯曲；其中所述柔性膜和所述壳体结构形成了一个柔性膜可以弯曲的间隙；以及在远离所述壳体结构的方向上从所述柔性膜延伸形成一支脚，其中所述支脚和所述柔性膜在所述柔性膜背离所述间隙的一侧形成一个间隙区域，并且当所述mems元件与一个要被操纵的物体相互作用时，所述支脚使所述膜与所述物体隔开。所述mems阵列系统还包括一控制电路，所述控制电路用于选择性地致动mems阵列中的一个或多个所述mems元件。

本发明的另一个实施例是一种使用任何实施例的微机电系统(mems)阵列系统来操纵一个或多个物体的方法。在具体实施例中，所述方法包括以下步骤：提供一个如上描述的二维mems阵列；将所述mems阵列放置在待操纵的一个或多个物体上；以电子方式选择一个或多个mems元件用于致动；向所述选择的mems元件的电极结构施加电压，以将所述选择的mems元件置于接通状态，其中所述选择的mems元件的柔性膜相对于壳体结构从一初始位置弯曲到一弯曲位置，由此，所述选择的mems元件通过柔性膜的弯曲产生抵抗一个或多个物体的吸力；通过管理吸力以对一个或多个物体进行操纵，将所述一个或多个物体保持在mems阵列上。

所述一个或多个物体可以是一个或多个微米级物体，所述方法还包括：使用所述选择的mems元件的吸力使得每个选择的mems元件从一第一表面提升相应的微米级物体；移动mems阵列的位置，同时一个或多个微米级物体被吸力保持在相应的mems元件上；从相应的mems元件移除吸力并释放一个或多个微米级物体，从而将一个或多个微米级物体放置在一第二表面上。例如，这种方法可以用于将一个或多个μleds从一具有每单位面积的μleds的第一分辨率的源基板转移到一显示基板的沉积区域，沉积区域具有不同于第一分辨率的第二分辨率。这种方法还可以用于使用一个从一源基板获得的功能完好的μled替换一显示基板上发生故障的单个μled。

可选地，一个或多个物体可以是跨越多个所选mems元件的宏观物体，所述方法还包括使用所选择的mems元件的吸力使多个mems元件利用组合的抽吸力来操纵宏观物体。这种方法可以包括通过改变所选择的mems元件相对于所述mems阵列中的所有mems元件的比例来改变由所述mems阵列产生的总吸力。

为了实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些具体实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本发明原理的各种方式中的部分实施例。当结合附图考虑本发明的以下详细描述时，本发明的其他目的，优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

图1是描绘一mems元件可施加在微米级物体上的力的概括图，其中图1(a)，1(b)，1(c)和1(d)描绘了所述mems元件的不同致动状态。

图2是描绘本发明实施例的一具体的mems元件的图，其中图2(a)，2(b)和2(c)描绘了所述mems元件的不同致动状态。

图3是描绘一种本发明实施例中使用mems元件操纵物体的示例性方法的图，其中图3(a)，3(b)，3(c)和3(d)描绘操纵物体的不同阶段。

图4是描绘本发明实施例中的另一具体的mems元件的图，其中图4(a)，4(b)和4(c)描绘了利用所述mems元件对不同尺寸的物体的操纵。

图5是描绘本发明实施例中用于驱动mems元件的示例性tft驱动电路的示意图。

图6是描绘mems元件对应施加到图5的tft驱动电路的电压的操作状态的图表。

图7是描绘本发明实施例的一个示例性2dmems阵列的图。

图8是描绘本发明实施例的一个示例性mems阵列系统的图，其包括一个与图7的mems阵列相当的mems阵列。

图9是描绘一控制电路的驱动器电路的图，通过该控制电路，一mems阵列中的特定mems元件和/或mems元件组被以电子方式选择用于致动和控制。

图10是描绘一种使用一mems阵列转移微米级物体阵列的方法的图，其中图10(a)，10(b)，10(c)和10(d)显示了转移方法中mems阵列不同的状态。

图11是描绘由图10的装置执行的转移方法的相应步骤的流程图，其中图11(a)，11(b)，11(c)和11(d)(对应图10的状态(a)-(d))阐述了转移方法的不同步骤。

图12是描绘当使用分离层结合微米级物体时mems元件的操作特写视图，其中图12(a)，12(b)和12(c)描绘物体操纵的不同阶段。

图13是描绘一种使用一mems阵列替换单个微米级物体的方法的图，其中图13(a)和13(b)显示了替换方法中mems阵列的不同状态。

图14是描绘由图13的装置执行的替换方法的相应步骤的流程图，其中图14(a)和14(b)(对应于图13的状态(a)-(b))阐述了所述替换方法的不同步骤。

图15是描绘一mems阵列的一可变力控制的图，其中图15(a)，15(b)，15(c)，15(d)和15(e)显示了由所述mems阵列产生的各种级别的吸力的示例。

图16是描绘使用多个mems元件操纵宏观物体的mems阵列的力控制的图，其中图16(a)，16(b)和16(c)显示了不同物体的操纵的示例。

图17是举例说明将微米级物体从源基板转移到目标基板的传统的基于压印器的方法的图。

主要元件符号说明：

具体实施方式：

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。应该理解，附图不一定按比例绘制。

本发明提供一种mems阵列系统，其包括一mems阵列，所述mems阵列具有用于操纵微米级物体的多个单独的mems元件。

图1是描绘一单个mems元件10可施加在一微米级物体12上的力的概括图，显示了处于不同致动状态的所述mems元件10。mems元件10在被致动时产生作用在微米级物体12上的力fm。mems元件作用的目标在本文中通常称为“物体”，包括如下面进一步详述的各种类型的微米级物体。mems力fm对物体的影响取决于系统的合力fn，所述合力fn通常取决于mems力fm与物体的重量fw的比较。对于下面的描述，除非另有说明，否则假设这些是在系统中起作用的主要两个力；但是在某些用途中可能存在其他外力。因此，通常情况下，mems元件的效果与系统的合力fn一致，所述合力fn是mems力fm和外力的矢量和，所述外力可以包括目标物体的重量fw。

图1描绘了一个简化的例子，其中物体12的重量fw是唯一不可忽略的外力。在图1(a)的部分中，mems元件处于“接通”状态，使得产生超过物体重量fw的mems力fm。相应地，合力fn在mems力的方向上。在这种状态下，一施加到物体上的吸引力可用于提升物体并将物体移动到另一个位置。在图1(b)的部分中，mems元件处于“关闭”状态，因此mems力fm被移除。相应地，合力fn在物体的重量fw的方向上。在这种状态下，没有吸力施加到物体上，并且物体不能被mems元件保留。图1(a)和图1(b)的过程阐述了如何通过将mems元件致动到“接通”状态来拾取物体(并且如果需要，移动到另一个位置)，然后通过以下方式释放物体：将mems元件解除致动到“关闭”状态。

在图1(c)的部分中，mems元件处于“接通”状态，使得产生不超过物体重量fw的mems力fm。相应的，合力fn在物体重量fw的方向上。图1(c)阐述了mems力fm需要足以克服相反的外力以操纵物体，例如物体的重量。因此，在这种状态下，施加到物体上的吸力不足以提升物体。图1(a)和图1(c)的过程说明了如何通过将mems元件致动到“接通”状态来拾取物体(并且如果需要，转移到另一个位置)，然后通过以下方式释放物体：将mems力fm减小到物体重量以下，使得合力fn在物体重量fw的方向上，从而释放物体。例如，可以采用该操作为物体提供更受控制的释放操作。

在图1(d)的部分中，mems元件处于一“排斥”状态，使得mems力fm在与物体重量fw相同的方向上产生。相应地，mems力fm是抵抗物体的排斥力，倾向于将物体推离mems元件。由于合力fn是物体重量和排斥的mems力的总和，合力fn在物体重量fw的方向上并且具有更高的强度。因此，在这种状态下，一排斥力被施加到物体上以实现物体的强力释放。图1(a)和图1(d)的过程阐述了如何通过将mems元件致动到“接通”状态来拾取物体(并且如果需要，移动到另一个位置)，然后通过将mems元件致动到“排斥”状态用于排斥力来释放物体，使得合力fn在释放物体的方向上比通过简单地将mems元件解除致动到“关闭”状态更强。例如，可以采用该操作，通过将物体正向推离mems元件来提供物体的不同类型的受控制的释放。

因此，通常mems元件10在与微米级物体12接触时能够产生吸引力或排斥力。在简单的拾取和放下示例中，如果吸引力大于物体重量，则允许拾取对象并根据需要移动到另一个位置。如果mems元件的吸引力减小到小于物体重量，则可以放下微米级物体。如果由mems元件产生的力是排斥的，则物体将被更积极地推离mems元件。

一微机电系统(mems)元件具有一柔性膜，其通过弯曲产生吸力以允许操纵微米级物体。在具体实施例中，mems元件包括一壳体结构；一附着在壳体结构上的柔性膜；和一电极结构，其中施加到电极结构的电压使柔性膜相对于壳体结构弯曲；其中柔性膜和壳体结构形成了柔性膜可以弯曲的间隙；以及在远离壳体结构的方向上从柔性膜延伸形成一支脚，其中支脚和柔性膜在柔性膜背离间隙的一侧形成一个间隙区域，并且当mems元件与一个要被操纵的物体相互作用时，支脚使膜与物体隔开。电极结构可包括位于壳体结构上的第一电极和与柔性膜相关的第二电极。

图2是描绘根据本发明实施例的一示例性mems元件20的图，并且显示了处于不同致动状态的mems元件20。mems元件20通过致动一柔性膜产生上面提到的mems力。mems元件20包括一壳体结构22，其中固定有一柔性膜24。在图2的示例中，壳体结构22由多个单独的部件组成。壳体结构组件可包括一基板26和从基板26延伸的一壳体壁28。基板26可由各种刚性塑料材料等制成，包括例如硅，多晶硅，氮化物或柔性聚合物。壳体壁28可以由与基板相当的材料制成，并且可以由与基板相同的材料或不同的材料制成，并且多晶硅特别适合于壳体壁。另外，尽管基板26和壳体壁28被示出为单独的部件，但是它们可以形成为相同材料的整体或单件。

膜24可以由与壳体结构22的部件相当的材料制成，并且材料要足够薄以使膜24具有柔性。多晶硅同样是特别合适用于膜24的材料。膜24包括一端部固定部30和一中心弯曲部32。膜24沉积在壳体壁28上，并且膜在固定部30处固定到与基板26相对的壳体壁28上。弯曲部32延伸不与壳体壁28接触，以允许弯曲部32弯曲。如图2所示，膜24和壳体结构22形成了一间隙34，当mems装置被致动时，膜的弯曲部32可以弯曲到该间隙34中。

膜24还通过一在远离壳体结构的方向上从柔性膜延伸的支脚36固定就位。支脚36沉积在膜24的固定部30上，使得固定部30牢固地固定在壳体壁28和支脚36之间。支脚36可以由与壳体壁28和/或基板26材料相当的材料制成，合适的材料包括例如多晶硅和聚二甲基硅氧烷(pdms,polydimethylsiloxane)。支脚36还可以包括一粘合材料，以便粘附一待操纵的物体。粘合材料通常可以结合到支脚材料中，例如通过使用具有粘合性能的聚合物材料形成支脚。可选地，支脚可包括一在支脚的表面上的粘合剂层或膜，其接触待操纵的物体。支脚36的定位致使支脚和柔性膜在膜24背离间隙34一侧上形成一间隙区域38。如下面进一步详述的，当mems元件20与物体相互作用时，支脚36使膜24与待操纵物体隔开一定量的间隙区域38。间隙区域38的存在使得膜更容易弯曲并且还防止膜容易损坏。

mems元件20还可以包括一用于向mems元件20施加电压的电极结构。在一具体实施例中，电极结构的配置可以包括一个位于壳体结构22上的第一电极和一个位于膜24上的第二电极，用于致动mems装置20，特别是通过弯曲膜24致动mems装置20。施加到第一和第二电极的电压使得柔性膜相对于壳体结构弯曲，下面将进行更详细地描述。电极结构可包括一个位于壳体22的基板26上的第一电极40(也称为壳体电极)，以及一个位于膜24上的第二电极42(也称为膜电极)。膜电极42可以沉积在膜24上或者结合在膜24内或作为膜24的一部分。因此，为了简化附图，膜电极42在一些后续附图中被省略，可以理解地，一个与膜24相关的膜电极以某种方式电相关或电连接到mems装置，以便能够致动和弯曲膜。将电压施加到壳体电极40和膜电极42以在基板26和膜24之间产生电位差，这可以使膜相对于膜的未致动的初始位置弯曲。为了施加电压，壳体电极40电连接到一第一电压源线44(称为源极线a)，并且膜电极42电连接到一第二电压源线46(称为源极线b)。电极由电极应用领域已知的任何合适的金属材料或其他导电材料(例如金属合金)制成。另外，尽管双电极配置是合适的，但是在另一具体实施例中，电极结构可以仅包括应用于壳体结构的单个电极，如一些后续附图中所示。

图2的各个部分显示了处于不同致动状态的mems元件20。如下面进一步详细描述的，当电压以使电极反向充电的方式施加到第一和第二电极时，柔性膜处于“接通”状态并且在朝向壳体结构的基板的方向上弯曲。当电压未施加到第一和第二电极时，柔性膜处于“关闭”状态，并且柔性膜相对于一对应于没有电压施加到柔性膜时的初始位置不弯曲。当电压以使电极正常充电的方式施加到第一和第二电极时，柔性膜处于“排斥”状态并且在远离壳体结构的基板的方向上弯曲。

在图2(a)的部分中，没有电压施加到电极40和42上，并且mems器件20处于未致动的“关闭”状态。在这种状态下，膜24处于初始位置，在该初始位置膜被定位为固定到壳体结构22上，即，初始位置是处于“关闭”状态的膜位置，对应于没有电压施加到柔性膜时。

在图2(b)的部分中，电压经由源极线a和源极线b施加到电极40和42，并且mems器件20处于致动的“接通”状态。术语“致动状态”或“接通”状态是指膜通过间隙34朝向壳体结构22的基板26弯曲。这是通过在源极线上施加电压以在壳体结构的基板和柔性膜之间产生电位差来实现的，由此，柔性膜变成电吸引到基板上。所述电吸引的结果是膜24朝向基板26弯曲。图2(b)基本上显示了膜24的最大弯曲状态，以在物体上产生最大吸力。可以调节源极线a和b的电压，并因此调节吸引力的水平和膜的合成弯曲，以适合于产生如上参考图1(c)所述的期望的弯曲和合成吸引力的mems力。

在图2(c)的部分中，经由源极线a和源极线b将电压施加到电极40和42，并且mems器件20处于排斥状态。术语“排斥状态”是指膜通过间隙区域38远离壳体结构22的基板26弯曲。这通过施加来自源极线的电压以在壳体结构和柔性膜之间产生电势来实现，由此，柔性膜变得与壳体结构的基板电排斥。柔性膜和基板之间的电排斥的结果是膜24弯曲远离基板26。与“接通”状态相比，可以调节源极线a和b的电压，并因此调节排斥力的水平和膜的合成弯曲，以适合于产生所需的弯曲和合成的排斥mems力。

图3是描绘本发明实施例中一种使用mems元件20操纵物体的示例性方法的图，并且显示了操作物体的不同阶段。图3显示了与待操纵的微米级物体50相关的mems元件20，微米级物体50最初位于支撑面52上。支撑面52可以是用于定位物体50的任何合适的表面，例如基板材料，工作台，电子晶片材料等。

一种通过操纵由mems元件施加的力来执行操纵物体的方法。在具体实施例中，该方法包括将mems元件放置在待操纵的物体上；向电极结构施加电压以将mems元件置于一接通状态，其中柔性膜相对于壳体结构从一初始位置弯曲到一弯曲位置，由此，mems元件通过弯曲柔性膜产生对物体的吸力；并且通过操作吸力将物体保持在mems元件上以执行物体的操纵。所述方法还可以包括从电极结构移除电压以将mems元件置于关闭状态，由此，柔性膜返回到初始位置以移除吸力。所述方法还可以包括向电极结构施加电压以将mems元件置于排斥状态，其中柔性膜从弯曲或初始位置弯曲到相对于接通状态的相对弯曲位置，由此，mems元件产生对物体的排斥力以从mems元件释放物体。

参考图3，mems元件20可用于通过以下过程作用于物体50，如图3的部分所示。在图3(a)的部分中，mems元件20位于“关闭”状态，即没有电压施加到电极，因此膜24不会相对于初始位置弯曲。在这种“关闭”状态下，mems元件20位于物体50上方。在从图3(a)的部分到图3(b)的部分的过渡中，mems元件的支脚36放置在物体50的一平面上，在物体50和柔性膜24之间留下间隙区域38。如图3(b)的部分所示，通过向壳体电极和膜电极施加电压以在膜和基板之间产生吸引力，从而使膜24通过间隙34朝向基板26偏转，将mems元件20切换到“接通”状态。这又导致间隙区域38中的压力相对于膜24和物体50之间的环境压力减小。间隙区域38内的压力相对于环境空气压力的减小产生作用在物体50上的吸力，由此，物体50通过负压被保持在mems元件20的支脚36上。

如图3(c)的部分所示，mems元件可以对物体50执行操纵动作。在基本操纵动作中，物体50可以从支撑面52上抬起或拾取。然后可以将mems元件20移动到另一个位置，并且保持mems力以携带物体50随着mems元件20的移动。如图3(d)的部分所示，当mems元件切换回到“关闭”状态(即，从电极移除电压)，膜返回到其未弯曲的初始位置，从而移除mems吸力。在没有mems吸力的情况下，物体50被释放，允许物体被放置在一支撑面52(a)上。随着施加吸力时mems元件20的移动，支撑面52(a)可以是物体50所源自的相同支撑面52上的不同位置，或者支撑面52(a)可以位于与支撑面52完全不同的结构。以这种方式，mems元件20可以通过施加mems吸力将微米级物体移动到不同的位置。

当用于拾取和移动一微米级物体时，可以设置mems元件20的设计参数(例如尺寸，可应用的电极电压，膜弯曲范围等)使得mems元件的致动产生足够的mems吸力以克服想要拾取和移动的物体的重量。例如，通过一个上述的具有10μm宽度的mems元件和一个允许向上偏转0.5μm的膜，可以容易地拾取侧面10μm的氮化镓立方体。mems元件20能够以这种方式专门操纵给定的微米级物体。

因此，通常情况下，可以使这种微操纵适用的领域是微型电子设备的拾取和放置。例如，使用mems吸引力的微操纵可用于帮助在印刷电路板(pcb)上组装小部件。作为另一个例子，使用mems吸引力的微操纵可以用于将微发光二极管(μleds)从一源基板转移到一显示器或目标基板。μled技术有望超越有机发光二极管(oled)和液晶显示器(lcd)技术。使用mems吸引力的微操纵也可以在生物学和化学中应用，用于微小物体(例如细胞或少量化学物质)的微精确操作。

如上所述，mems元件20的支脚36可以包括一粘合材料，以便将支脚36粘附到待操纵的物体50上。支脚36的粘合性质与mems元件20的吸力的结合增强了与物体50的密封，使得mems吸力更有效地保持物体50。如果将粘合材料结合到支脚36中，当膜返回到图3(d)的非弯曲状态时，物体50可能不会被释放。因此，在本实施例中，如果mems元件从“接通”状态被置于“关闭”状态，则物体仍然可以通过粘合材料的作用由mems元件保持。因此，mems元件被设置成排斥状态以从mems元件释放物体。参考图2，mems元件20切换到图2(c)的排斥状态(即，源电压使膜和壳体电极像电荷一样)。通过将mems元件从“接通”状态(或“关闭”状态)切换到“排斥”状态，膜24在相反方向上远离基板26弯曲到间隙区域38。这相对于环境空气压力反过来升高间隙区域38内的空气压力，将物体从mems元件20的支脚36推开。以这种方式，粘合剂支脚在物体操纵期间使物体更稳定的保持在mems元件上，然后，排斥状态可用于帮助以更受控制的方式释放物体。

图4是描绘根据本发明实施例的另一示例性mems元件54的图，并且进一步描绘了利用mems元件54对不同尺寸的物体的操纵。mems元件54与前述实施例具有相似性，因此相同的部件被提供相同的附图标记。图4的实施例的不同之处在于，延伸支脚56设置成相对于壳体壁28向内延伸到间隙区域38中。

利用这种配置，mems元件54可以作用于一系列不同尺寸的物体。图4(a)的部分显示了支脚56可以与尺寸与前一实施例相当的物体50相互作用。另外，如图4(b)的部分所示，mems元件54的延伸支脚56可用于操纵尺寸小于mems元件54的物体58，只要部分支脚与待拾取的较小物体58的表面接触就能拾取物体58。这是通过支脚56的向内延伸构造实现的，支脚的一部分通过该构造与膜24的中心部分重叠。此外，如图4(c)的部分所示，与前一实施例相比，物体60大于mems元件54的尺寸，延伸支脚56将搁置在较大物体60的较大部分表面上，所以mems元件54可以容易地作用于物体60。

图4中描绘的mems元件54的配置可以减少由mems元件产生的吸力的量，只要通过使用延伸支脚56减小间隙区域38的体积即可。相应地，支脚的尺寸可用于在力需求与任何特定应用的物体尺寸范围内适当地平衡或建立一个平衡。

图5a和5b是描绘本发明实施例中用于驱动mems元件20/54的示例性tft驱动电路70的示意图，其通过控制施加到第一和第二电极的电压来操作。如上所述，源极线a44可电连接到mems元件的第一(壳体)电极40，并且源极线b46可连接到mems元件的第二(膜)电极42。

驱动电路70可以包括一个或多个晶体管，其可以是tft晶体管。在tft驱动电路70的一具体实施方式中，源极线a可连接到电连接到一第一p型晶体管72和一第一n型晶体管74，第一p型晶体管72和第一n型晶体管74均与mems元件20/54的第一电极电连接。类似地，源极线b可连接到一第二p型晶体管76和一第二n型晶体管78，第二p型晶体管76和第二n型晶体管78均与mems元件20/54的第二电极电连接。源极线a和b中的每一个都可以操作为一高压电源vh或一低压电源vl，其可以是外部电压电源。可以理解地，一高电压vh或一低电压vl对应于用于切换晶体管元件的相应阈值电压，使得一晶体管状态将在高于vh或低于vl的任何大小的电压中切换。低电压可以是一个0v的接地电压。可以操作一栅极线80(gn)以闭合开关82和84，从而将各个源极线连接到驱动电路70，使来自源极线的电压可以施加到mems元件的各个电极。当多个mems元件以二维阵列配置时，栅极线80操作以选择一行mems元件，并将源极线连接到所选择的mems元件，以通过施加源极线电压来致动。

驱动电路还可以包括一个或多个存储元件，用于存储施加到第一电极和第二电极的电压。在图5的示例中，一个或多个存储器元件包括：一个第一电容器86，其存储施加到第一电极的电压；以及一个第二电容器88，其存储施加到第二电极的电压。电容器86和88用作dram存储器存储元件，使得即使在栅极线被关断之后电压仍然施加到mems元件。这意味着可以在不丢失当前行元件的电压状态的情况下寻址下一行元件。可选地，可以采用sram元件替换dram元件，然而sram元件往往比dram元件更庞大，因此优选dram元件。

另一种驱动电路装置如图5b所示。利用这种配置，每个电极可以由单独的高压电源供电，并且每个高压电源可以根据需要在正电压或负电压之间切换。

图6是描绘根据经由图5a或图5b的tft驱动电路施加电压的mems元件的操作状态的图表。在这样的图表中，一“0”状态与一低电压条件(例如，电压值低于vl阈值)相关联，并且一“1”状态与一高电压条件(例如，电压值高于vh阈值)相关联。如图表所示，当源极线电压a和b变低时，mems元件处于“关闭”状态，因为没有工作电压施加到mems元件。当源极线电压不同时，例如，源极线a为低电压而源极线b为高电压，或反之亦然，mems元件处于“接通”状态。换句话说，在源极线电压的高与低相反的情况下，产生一电位差以生成使mems膜弯曲的吸引力，从而产生“接通”状态的负压吸力。参考图6中标识的特定状态，接通(1)和接通(2)状态之间的差异是施加到电极的相对电压，即哪个电极电压高与哪个电极电压低取决于哪个源极线电压高与哪个源极线电压低。然而，在两种状态下，由于吸引力由柔性膜和基板之间的电位差产生，mems元件处于“接通”状态。当源极线电压都被提高时，mems元件处于“排斥”状态。换句话说，施加高电压到两根源极线以产生排斥力以使mems膜弯曲，从而产生排斥状态的正释放力压力。

一mems阵列系统包括一mems阵列，该mems阵列具有以二维(2d)阵列配置的多个单独的mems元件，其中2dmems阵列的每个元件是单独的mems元件，mems元件根据上述任一实施例配置。如上所述，2dmems阵列的每个mems元件能够通过施加mems吸力而作用于相应的微米级物体，或作用于其自身面积的较大宏观物体。因此，本发明的一个方面是一种微机电系统(mems)阵列系统，用于施加吸力以操纵物体。在具体实施例中，mems阵列系统包括以n行和m列的阵列布置的多个单独mems元件的二维mems阵列，其中n和m是大于或等于1的整数。可以根据任何前述实施例中的mems元件来配置本实施例的每个mems元件。mems阵列系统还包括控制电路，用于选择性地致动mems阵列的一个或多个mems元件。

图7是描绘本发明实施例的一示例性2dmems阵列100的图。2dmems阵列100包括多个独立的mems元件102，多个独立的mems元件以具有n×m个mems元件的2d阵列形式布置，其中n和m各自是大于或等于1的整数。对于n和m，术语行或列通常用于阐述图中描述的对应方向的目的。因此，应当理解，本发明的原理不依赖于设备的任何特定方向，因此“行”可以是“列”，反之亦然，这取决于设备如何在空间中定向。特写视图显示了mems阵列内的两个相邻的示例性mems元件102(a)和102(b)。独立的mems元件通常可以与上述针对mems元件20/54的任一实施例同等地配置，因此为了清楚起见省略了附图标记，但是这些部件通常相应地对应。

可以采用对壳体结构的某些结构修改来将各个mems元件布置成2d阵列。如在图7的示例中所见，可以采用一整体式壳体基板104，其跨越mems阵列的多个mems元件，直到覆盖整个mems阵列，并且相邻的mems元件可以具有一共用壳体壁106，共用壳体壁106的尺寸使mems元件适当地间隔开。2dmems阵列可以在柔性或刚性壳体基板104上制造。通过在mems阵列上适当地确定共用外壳壁106的尺寸，各个mems元件可以被设计间隔距离隔开。在具体实施例中，相邻元件的支脚和膜之间可能没有分离，并且当支脚层在整个层的一次操作中沉积时，制造mems阵列可以更简单。膜可以在元件之间分离或者不分离。每个mems元件102可以是相同的尺寸，或者可以是不同的尺寸，以适合于任何特定应用。独立的电压源极线a和b被提供给每个mems元件，在示例性mems元件102(a)和102(b)中分别表示为a1/b1和a2/b2。

图8是描绘本发明实施例中的一示例性mems阵列系统120的图，其包括mems阵列100。mems阵列系统120还包括一控制电路122和一感测电路124。发送到控制电路122的信号可以由一个系统控制器126发送，并且系统控制器也可以从感测电路124接收信号。控制电路122可以是一个薄膜晶体管(tft)阵列控制电路，其可以将信号发送到2dmems阵列100中的各个mems元件，以允许电子选择性致动和控制各个mems元件102。感测电路124可以启用电容感测，由此，一电容感测电路用于使系统控制器126能够通过电容感应物体的存在来确定物体是否已成功地拾取或放下。以类似的方式，电容感测电路124可以用于确定每个mems元件102是否被正确地致动，即，可以单独检查每个mems元件。

如上所述，控制电路122可以实现为一个tft阵列控制电路。图9是描绘作为tft阵列实施的控制电路122的图。返回参照图5，每个mems元件102通过驱动电路70控制。图9示出了控制电路122的附加驱动器电路，通过该电路以电子方式选择特定mems元件和/或mems元件组进行致动和控制。在图9所示的示例中，各个mems元件102由行/列号(n，m)表示，其中n是0→n的整数，并且m是0→m的整数。相应地，每个mems元件由与图5的源极线a44和b46相对应的列的源极线电压驱动，包括第一电压源线a0→m和第二电压源线b0→m。如上所述，源极线处的电压可以设置为高电压vh或低电压vl。

在具体实施例中，控制电路包括：一个源极驱动器，其施加驱动信号到电压源极线以施加电压到一个或多个mems元件的电极；以及一个栅极驱动器，其施加栅极信号以电子地选择一个或多个mems元件，被选择的mems元件通过施加来自电压源极线的电压来致动。栅极驱动器可用于通过mems阵列的mems元件的行施加栅极信号。参考图9，控制电路122包括一源极驱动器128和一栅极驱动器130。源极驱动器128将驱动信号施加到源极线a和b，以针对各种mems元件设置高或低的源极线电压。栅极驱动器130在选择行的基础上将如上关于图5所述的栅极信号施加为g0→n。在操作中，源极驱动器128设置源极线电压，该源极线电压施加在指定行的mems元件上，该指定行的mems元件由栅极驱动器130施加栅极信号到指定行以电子方式进行选择。图9还包括用于选择行的栅极信号的应用的时序图。如图所示，栅极信号g0→n通过mems阵列分别在时间t0→n内一次一个地施加用于选择指定行，并且在选择指定行的时间间隔之间，源极线电压可以由源极驱动器更新以用于下一个选择的元件，其中给定mems元件的电压由驱动电路70的存储元件(例如，电容器86和88)存储，如上述结合图5描述的。

本发明的另一方面是一种在任何实施例中使用微机电系统(mems)阵列系统来操纵一个或多个物体的方法。在具体实施例中，该方法包括以下步骤：提供如上详述的二维mems阵列；将mems阵列放置在待操纵的一个或多个物体上；以电子方式选择一个或多个mems元件用于致动；将电压施加到所选择的mems元件的第一电极和第二电极，以将所选择的mems元件置于接通状态，其中所选择的mems元件的柔性膜相对于壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此，所选择的mems元件通过柔性膜的弯曲产生抵抗一个或多个物体的吸力；以及通过操作吸力将一个或多个物体保持在mems阵列上，以执行对一个或多个物体的操纵。

所述一个或多个物体可以是一个或多个微米级物体，该方法还包括：使用所选择的mems元件的吸力，使得每个选定的mems元件从第一表面提升相应的微米级物体；移动mems阵列的位置，同时吸力将一个或多个微米级物体保持在相应的mems元件上；以及从相应的mems元件移除吸力并释放一个或多个微米级物体，从而将一个或多个微米级物体放置在第二表面上。例如，这种方法可以用于将一个或多个μleds从一具有每单位面积的μleds的第一分辨率的源基板转移到一显示基板的沉积区域，所述沉积区域具有不同于第一分辨率的第二分辨率。这种方法还可以用于使用一个从一源基板获得的功能完好的μled替换一显示基板上发生故障的单个μled。

参照附图，在本发明的一个方面，mems阵列系统120用于执行一种将微米级物体(例如μleds)从一源基板(例如一晶片基板)转移到一目标基板(例如显示器)的方法。在本实施例中，μleds设置在源晶片上，源晶片通常由蓝宝石或硅制成，并且μleds需要从源晶片转移到要与μleds结合的显示基板上。具有2dmems阵列100的mems阵列系统120可以被配置为mems阵列的分辨率(即，每单位面积的多个微器件)与μled源晶片的分辨率匹配，由于匹配的分辨率，当mems阵列位于μleds晶片阵列的顶部时，mems阵列可以在一个步骤中拾取大部分甚至整个μleds阵列。然后，mems阵列可以通过选择性地控制每个mems元件以在目标基板上的适当位置释放相应的μleds，以目标基板的分辨率选择性地沉积μleds。

为了简化描述，当一个μled由mems元件放下时，mems元件被描述为切换到“关闭”状态。然而，应当理解，放置一个μled也可以通过将mems元件切换到排斥状态来实现。排斥状态的使用还可以结合具有支脚的mems元件，所述支脚包括粘合材料，用于在拾取和移动操作期间增强与μled的结合。

图10和11是描绘将微米级物体阵列(例如，μleds阵列)从一源晶片基板转移到一目标显示基板的方法的图。图10是一个结构示意图，显示mems阵列140的控制以执行转移方法，图10(a)-10(d)示出了在转移方法期间mems阵列140的不同状态。图11是表示转移方法的相应步骤的流程图，图11(a)-11(d)的部分(对应于图10的状态(a)-(d))阐述了转移方法的不同步骤。

图10描绘了一个包括多个mems元件142的mems阵列140。图10还包括识别图中说明性图案的图例，其指示mems元件何时处于“开”状态和“关”(或排斥)状态。在随后的附图中采用相同的图例和说明性图案，以便示出mems元件处于“开”状态与“关”状态。如图10(a)和11(a)所示，以所有mems元件都处于“关闭”状态作为初始状态。mems阵列140设置于源晶片144上方，源晶片144包括多个微米级物体，例如μleds146。mems阵列140上的mems元件142的分辨率与源晶片144上的μleds146的第一分辨率匹配。在从图10(a)到图10(b)的转变中，mems阵列140与源晶片144对准，使得利用与第一分辨率匹配的分辨率，各个mems元件142分别对准μleds146。将mems阵列放置在源晶片的顶上，使mems阵列元件的支脚搁置在μled的顶部，让每个mems元件在相应的μled上方对准，以便一次性中拾取μleds的阵列。

如图10(b)和11(b)的部分所示，一信号被发送到mems电极的至少一部分(例如，从一个到所有mems元件电极)，向所述电极施加电压。电压足够大到能部分或完全致动mems元件的膜，但是应该至少足以克服μleds相对于源晶片的粘合力和重量。在本实施例中，尽管一部分μleds仅需要在保证的情况下被提升，附图显示了所有mems元件被致动到“接通”状态以将吸力施加到所有相应的μleds，从而一次性提升所有μleds。另外，当mems阵列和源晶片具有不同的尺寸并因此包含不同数量的元件时，仅有一部分mems元件的致动可能是有用的(尽管如上所述，每单位面积的元件的分辨率匹配)。切换到“接通”状态的mems元件142产生前述的吸力，向上作用在相应的μleds146上，所述μleds146位于切换到“接通”状态的mems元件下方并与其对齐。与“接通”状态mems元件相关联的所述μleds在本实施例中被称为已经“选择”。然后通过例如一机械臂或其他合适的装置将mems阵列140向上移动或提升，从而将所选择的μleds146向上拉离源晶片144。

如图10(c)和11(c)的部分所示，mems阵列140移动到一目标基板148(例如一显示基板)的位置，目标基板148具有多个以不同于mems阵列和源晶片的第一分辨率的第二分辨率设置沉积区域150。沉积区域150对应于要放置相应μleds146的区域。mems阵列140设置在一第一位置，第一位置中至少一些μleds146与目标显示基板148上的至少一些沉积区域150对准。如上所述，通常源晶片具有不同的分辨率，与显示基板相比，通常具有更高的分辨率。在本实施例揭露的系统中，mems阵列被配置为具有与源晶片匹配的分辨率，并且因此，在任何给定位置处，仅有一部分mems阵列保持的μleds将与显示基板上的沉积区域对准。如图10(c)的部分所示，第一组mems元件152随后被切换到“关闭”(或排斥)状态，以从mems阵列140释放相应的第一组μleds154。具体地，选择第一组mems元件152以对应于显示基板148的第一组沉积区域150a，相应的第一组μleds154设置在第一组沉积区域150a处。通过选择性地关闭第一组mems元件152(即，通过在电极上设置施加的电压使得柔性膜返回到第一组mems电极的非弯曲状态)，在第一组mems元件152的吸力被移除，并且定位在第一组沉积区域150a上方的相应的第一组μleds154沉积到显示基板上的所述沉积区域150a内的适当位置处。

如在图10(d)和11(d)的部分中所见，随后mems阵列140可以相对于第一位置移动到一不同的第二位置。然后将第二组mems元件156切换到“关闭”(或排斥)状态，以从mems阵列140释放第二组相应μleds158。具体地，选择第二组mems元件156以对应于显示基板148的其他第二沉积区域150b，相应的第二组μleds158设置在第二沉积区域150b处。与前一步骤类似，通过选择性地关闭第二组mems元件156，第二组mems元件156处的吸力被移除，并且目前定位在第二沉积区域150b上方的相应的第二组μleds158被沉积到显示基板上的所述沉积区域150b内的适当位置处。

将mems阵列移动到下一个位置并且选择性地关闭(或排斥)用于保持位于目标显示基板上的不同沉积区域的相应μleds的mems元件的过程可以重复，直到不再有任何μleds保持在mems阵列上，和/或直到显示基板中的所有沉积区域都具有μled。一旦mems阵列拾取的所有μleds被这样沉积，如果空的沉积区域仍然出现在显示基板上，则mems阵列可以通过从源晶片(或第二源晶片)拾取μleds进行“重载”，并且使用前述方法将μleds沉积到显示基板上，直到填满所有的沉积区域。

上述μled转移方法提供了一种比弹性或静电压印器更有效的转移方法。如上所述，电流转移技术使用一具有与目标基板相同分辨率的压印器，而一μled源具有比显示基板高得多的分辨率。因此，当前的压印技术需要若干次转移以消耗一批μleds，如上面参照图17的描述。相比之下，本发明所述的具有与源晶片匹配的分辨率的mems阵列具有选择性沉积一指定数量的μleds而另一指定数量的其他μleds保持在2dmems阵列的能力。因此，mems阵列可以具有比当前压印装置高得多的分辨率，甚至匹配μled源晶片的分辨率，并且仍然能够以不同显示基板的分辨率分布μleds。使用传统的压印方法不能执行相同的方法，因为μleds必须全部一起提升然后一起释放，当传统的印模没有办法选择性地保留一些μleds而在释放其他μleds时，可以使用本发明揭露的选择性致动的mems阵列的方法来完成。

在源晶片上设置μleds的典型工艺中，μleds经由键合系链或分离层键合到晶片基板。图10(a)和10(b)示出了这种作为源晶片144上的分离层145的层。图12描绘了当使用分离层145时，图10的mems元件142作为与一μled146相互作用的元件的操作的特写图。μled146可以经由系链或分离层145附接到源晶片144上。源晶片可以固定到一下表面，使得源晶片不能移动。因此，mems元件142用于产生足以大于μled重量与系链或分离层145的粘合力的合力的吸力。

如图12(a)的部分所示，mems元件142放置在μled146上，其中支脚如前所述位于μled的表面上。在此阶段，mems元件处于初始“关闭”状态，在本实施例中，通过将源极线电压都设置为低电压(例如接地(gnd))来实现。在图12(a)至图12(b)的部分的转变中，mems元件142切换到“接通”状态，在本实施例中，通过将第一源极线电压取为分离电压vcc，同时保持第二源线电压在地来实现。在“接通”状态下，mems膜弯曲以提供吸力，并且vcc和mems元件的设计被配置成使得产生的吸力足以克服分离层145的粘合力和μled146的重力的合力。因此，mems元件向上提升以及提供吸力使得所选择的μled146与源晶片144结合的系链或分离层145断开，释放所选择的μled146以被已致动的mems元件142拾取。因此，μled146由mems元件142保持，并且分离层145在图12(b)中以一断裂状态示出。如图12(c)所示，如上所述，随后通过将mems元件142切换到“关闭”(或排斥)状态，可以将μled146沉积在目标显示基板148上的沉积区域150内。

一个μled阵列的背光显示器可具有数百万μleds，这意味着即使当转移产率为约99.99％时，这种显示器也很可能具有数百个坏点。如上所述的mems阵列系统可以通过选择性地致动单个mems元件的能力来替换对应于各个像素的各个μled，这中方式通过能够替换对应于坏点的任一独立的μled来提高合最终转移产率。

图13和14是描绘一种用一个补充微米级物体替换一个独立微米级物体(例如，一个μled)的方法的图。本实施例也使用上述操作μled的示例进行说明。图13是显示控制mems阵列140以执行替换方法的结构图，图13(a)-13(b)示出了在替换方法期间装置的不同状态。图14是表示替换方法的相应步骤的流程图，图14(a)-14(b)(对应于图13(a)-(b)的状态)表示替换方法的不同步骤。如图13中所示的各个mems元件142被说明性的图案标示，从而如图10中那样识别“接通”和“关闭”状态。

如图13(a)和14(a)的部分所示，mems阵列140的一第一mems元件160处于“接通”状态并且一个替换用的μled162保持在第一mems元件160上，μled162是第一mems元件160按照前述方法从一源晶片上拾取的。图13(a)的部分还示出了位于显示基板148上的一个沉积区域150中的故障μled164，其构成了一个坏点。为了替换坏点的故障μled164，mems阵列140被移动到一第一位置，使得一第二mems元件166在故障μled164上方对准。第二mems元件166切换到“接通”状态，并且通过操作吸力从沉积区域150拾取故障μled164。除了mems元件160和166之外，在本实施例的替换方法中其他未使用的mems元件142保持在未致动的“关闭”状态。

如图13(b)和图14(b)所示，mems阵列140被移动到一第二位置，在第二位置，替换用的μled162设置在现在空置的沉积区域150上。保持替换用的μled162的第一mems元件160被切换到“关闭”(或排斥)状态，并且替换用的μled162被沉积在已经去除了故障μled164的沉积区域150中。这种使用mems阵列的选择性致动特性，通过单独拾取故障μleds并在适当的位置处沉积相应的功能完好的μleds的过程可以一次对多个故障μleds进行替换过。在一可选实施例中，通过类似的过程，可以在第一步骤中去除所有发生故障的μleds并丢弃，随后从源晶片加载所有替换用的μleds，接着以上述方式沉积。

在先前的实施例中，通过选择性地致动mems元件来控制mems阵列，使得各个mems元件操纵各自的独立的微米级物体。在一可选地使用2dmems阵列系统的实施例中，控制mems阵列施加非二进制或可变力到尺寸大于两个或更多个mems元件的物体，使得多个mems元件将组合的吸力施加到同一物体上。相应地，待操纵的一个或多个物体可以是跨越多个所选的mems元件的宏观物体，该方法还包括使用所选择的mems元件的吸力使多个mems元件应用组合的吸力来操纵宏观对象。这种方法可以包括通过改变所选择的mems元件相对于mems阵列中的所有mems元件的比例来改变由mems阵列产生的总吸力。

图15是描绘mems阵列的可变力控制的图，其中图15(a)-(e)的部分示出了由mems阵列产生的不同水平的吸力的示例。在本实施例中，一mems阵列170包括安装在一基板174上的多个mems元件172。mems阵列抵靠一待操纵的物体176设置，所述物体跨越多个mems元件172，与前面的实施例类似，一图例用于阐述图中的说明性图案，识别处于“接通”状态的mems元件与处于“关闭”状态的mems元件。通过将如上所述的2dmems阵列170设置在宏观尺寸的物体上(例如，具有跨越多个mems元件甚至整个2dmems阵列的尺寸)，可以选择性地接通mems元件以施加力到物体上，可以通过改变切换到“接通”状态的元件数量改变力的大小。

图15(a)部分示出了可由mems阵列170施加的最小非零吸力，该最小非零吸力仅由单个mems元件172切换到“接通”状态产生。图15(b)-(e)的部分示出了如何通过将不同比例的mems元件172切换到“接通”状态来改变mems阵列170施加的总力。例如，图15(b)的部分示出了33％的最大施加力，即，三分之一的mems元件172被切换到“接通”状态；图15(c)示出了50％的最大施加力，即一半的mems元件172切换到“接通”状态；图15(d)示出了67％的最大施加力，即三分之二的mems元件172切换到“接通”状态。图15(e)的部分示出了可由mems阵列170施加的最大吸力，该最大吸力由所有mems元件172切换到“接通”状态产生。在一具体实施例中，一mems元件具有10000行和列，其中每个元件可以产生1μn的吸力，基于切换到“开”状态的mems元件的比例，该mems阵列可以产生0n和100n之间的力，精度为1μn。

图16是描绘使用多个mems元件来操纵较大或“宏观”物体的mems阵列170的力的控制的图，其中图16(a)-(c)的部分显示了不同物体的操作示例。如前所述，各个mems元件172具有微米级尺寸，但是为了方面阐述，各个mems元件的尺寸基本上都被放大了。与先前示例中类似，图例用于识别处于“接通”状态的mems元件与处于“关闭”状态的mems元件。

例如，图16(a)的部分描绘了一触觉装置可以用于产生相应区域的吸力，该触觉装置在例如手指或输入仪器触摸一触摸面板178时产生可调节的吸力。在另一示例中，图16(b)的部分描绘了mems阵列170可以制造在一柔性基板180上，该柔性基板180使得mems阵列能够匹配一非直线物体182的表面的形状，从而在以多种形式操纵这样的物体。在所示的示例中，这种相应区域的吸力被用于一种水果采摘器，不需要挤压就能采摘水果，并因此避免损坏水果。相应地，柔性mems阵列170可以安装在机械/仿生手的指尖和手掌上，其可以施加可变的夹持力而不会挤压并且可能损坏被拾取的东西。图16(c)的部分描绘了mems阵列170可以形成一种类传送带轨道，其形式为直的或封闭的带，可以用作一车辆车轮胎面系统184(类似于坦克)，这可能允许机器人或类似物体通过抓住墙壁或倾斜表面攀爬墙壁或陡峭的斜坡。在另一可选地实施例中，mems阵列可以用于一种喷墨打印机或微型打印机，在该喷墨打印机或微型打印机中，可以利用吸力的产生和去除来拾取和施加期望打印图案的墨水。这些用途是说明性的示例，并且其他使用相应区域吸力的方法是可能的。

因此，本发明的一个方面是一种微机电系统(mems)阵列系统，用于施加吸力以操纵物体。在具体实施例中，mems系统包括一个以n行和m列的阵列布置的多个单独mems元件的二维mems阵列，其中n和m是大于或等于1的整数。每个mems元件包括一壳体结构；一附着在壳体结构上的柔性膜；以及一电极结构，其中施加到电极结构的电压致动mems元件以使柔性膜相对于壳体结构弯曲；其中柔性膜和壳体结构形成了一个柔性膜可以弯曲的间隙；以及一个在远离壳体结构的方向上从柔性膜延伸的支脚，其中支脚和柔性膜在柔性膜背离该间隙的一侧上形成一个间隙区域，并且当mems元件与以物体相互作用以操纵物体时，支脚将膜与物体隔开。一控制电路被配置为选择性地致动mems阵列的一个或多个mems元件。mems阵列系统可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

在一mems阵列系统的具体实施例中，mems阵列具有每单位面积的mems元件的第一分辨率，并且控制电路被配置为选择性地致动一个或多个mems元件，其中被致动的元件具有不同于第一分辨率的第二分辨率。

在一mems阵列系统的具体实施例中，第二分辨率包括单独的mems元件。

在一mems阵列系统的具体实施例中，当一电压施加到电极结构以在柔性膜和壳体结构的基板之间产生吸引力时，柔性膜处于接通状态并且在朝向壳体结构的基板的方向弯曲；当电压未施加到电极结构时，柔性膜处于关闭状态，并且柔性膜不会相对于初始位置弯曲。

在一mems阵列系统的具体实施例中，以使柔性膜相对于壳体结构的基板电排斥的方式将一电压施加到电极结构时，柔性膜处于排斥状态并且朝向远离壳体结构的基板的方向弯曲。

在一mems阵列系统的具体实施例中，壳体结构包括一个跨越mems阵列的多个mems元件的整体式基板，以及从整体式基板延伸并由mems阵列的相邻mems元件共享的共用壳体壁；第一电极沉积在整体式基板上；柔性膜连接到共用壳体壁的与整体式基板相对的相应表面上。

在一mems阵列系统的具体实施例中，控制电路包括一薄膜晶体管(tft)阵列。

在一mems阵列系统的具体实施例中，该系统还包括一感测电路，用于感测物体相对于一个或多个mems元件的存在；一系统控制器，用于从感测电路接收信号并将控制信号施加到控制电路，基于从感测电路接收的信号来控制施加到一个或多个mems元件的电压。

在一mems阵列系统的具体实施例中，感测电路包括一电容感测电路。

在一mems阵列系统的具体实施例中，控制电路包括：一源极驱动器，其将驱动信号施加到电压源极线从而将电压施加到一个或多个mems元件的电极；以及一栅极驱动器，其施加栅极信号以用于选择一个或多个被致动的mems元件，mems元件通过施加来自电压源极线的电压来致动。

在一mems阵列系统的具体实施例中，栅极驱动器被配置为通过mems阵列的mems元件的行来施加栅极信号。

在一mems阵列系统的具体实施例中，壳体结构包括一柔性基板，mems阵列安装在柔性基板上以允许mems阵列符合待操纵物体的非直线表面。

本发明的另一方面是一种使用微机电系统(mems)阵列系统操纵一个或多个物体的方法。在具体实施例中，该方法包括以下步骤：根据任一实施例提供一个具有多个独立mems元件的二维mems阵列，多个独立mems元件以n行和m列的阵列布置，其中n和m是大于或等于一的整数；将mems阵列放置在一个或多个待操纵的物体上；提供一控制电路并用控制电路以电子方式选择一个或多个mems元件用于致动；向所选择的mems元件的电极结构施加电压，以将所选择的mems元件置于接通状态，其中所选择的mems元件的柔性膜相对于壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此，选择的mems元件通过柔性膜的弯曲产生抵抗一个或多个物体的吸力；以及通过操作吸力将一个或多个物体保持在mems阵列上，以执行对一个或多个物体的操纵。操纵一个或多个物体的方法可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

在一操纵一个或多个物体的方法的具体实施例中，该方法还包括从电极结构移除电压以将所选择的mems元件置于关闭状态，由此，柔性膜返回到初始位置以移除吸力。

在一操纵一个或多个物体的方法的具体实施例中，该方法还包括：将一电压施加到所选择的mems元件的第一电极和第二电极，以将所选择的mems元件置于一排斥状态，其中所选择的mems元件的柔性膜从弯曲或初始位置弯曲到与接通状态相反的弯曲位置，由此，所选择的mems元件产生抵抗一个或多个物体的排斥力以从所选择的mems元件释放一个或多个物体。

在一操纵一个或多个物体的方法的具体实施例中，所述一个或多个物体包括一个或多个微米级物体，该方法还包括：使用所选择的mems元件的吸力使得每个选定的mems元件从一第一表面提升相应的微米级物体；移动mems阵列的位置，同时吸力将一个或多个微米级物体保持在相应的mems元件上；以及从相应的mems元件移除吸力并释放一个或多个微米级物体，从而将一个或多个微米级物体放置在一第二表面上。

在一操纵一个或多个物体的方法的具体实施例中，所述一个或多个物体包括跨越多个所选mems元件的宏观物体，所述方法还包括使用所选择的mems元件的吸力使多个mems元件应用组合吸力来操纵宏观物体。

在一操纵一个或多个物体的方法的具体实施例中，壳体结构包括一柔性基板，mems阵列安装在该柔性基板上，该方法还包括使mems阵列符合待操纵物体的非直线表面。

在一操纵一个或多个物体的方法的具体实施例中，该方法还包括通过改变选择的mems元件相对于mems阵列中的所有mems元件的比例来改变由mems阵列产生的总吸力。

该方法可用于使用一微机电系统(mems)阵列系统将一个或多个微发光二极管(μleds)沉积到一显示基板上。在具体实施例中，沉积方法包括：将mems阵列放置在包括一个或多个μleds的源基板上；提供一控制电路并用控制电路以电子方式选择一个或多个mems元件以进行致动；将电压施加到所选择的mems元件的电极结构，以将所选择的mems元件致动到接通状态，其中所选择的mems元件的柔性膜相对于壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此，选择的mems元件通过柔性膜的弯曲产生抵抗一个或多个μleds的吸力，从而将一部分的一个或多个μleds从源基板提起；通过操作吸力将被提起的μleds保持到相应的所选mems元件上，并移动mems阵列以将保持的μleds置于显示基板上；以及改变施加到电极结构的电压以将所选择的mems元件置于关闭状态或排斥状态，由此，柔性膜返回到初始位置或弯曲到排斥位置以移除吸力，从而将保持的μleds沉积到显示基板上的各个沉积区域。

在一沉积方法的具体实施例中，源基板包括以每单位面积的μleds的第一分辨率设置的多个μleds；mems元件以第一分辨率设置在mems阵列内；以及显示基板的沉积区域以不同于第一分辨率的第二分辨率设置在显示基板上。沉积方法还包括以第一分辨率从源基板提升mems阵列的一部分的所述多个μleds，并以第一分辨率将提升的μleds保持到mems阵列；以及按照第二分辨率将保持的μleds沉积到相应的沉积区域。

在一沉积方法的具体实施例中，沉积保持的μleds包括：将mems阵列设置在一第一位置，其中所述保持的μleds的第一部分位于显示基板的第一对应沉积区域处；将所述保持的μleds的第一部分沉积到第一对应沉积区域；将mems阵列设置在一第二位置，其中所述保持的μleds的第二部分位于显示基板的第二对应沉积区域；并且将所述保持的μleds第二部分沉积到第二对应沉积区域。

在一沉积方法的具体实施例中，第一分辨率大于第二分辨率。

在一沉积方法的具体实施例中，该方法包括：通过致动一第一mems元件从源基板提升一个独立的功能完好的μled，并通过操作吸力将功能完好的μled保持到第一mems元件；移动mems阵列以将一第二mems元件定位在显示基板上的一沉积区域处，该沉积区域包括一个故障μled；通过致动第二mems元件从沉积区域提升故障μled，并通过操作吸力将故障μled保持到第二mems元件；移动mems阵列以将第一mems元件定位在去除了故障μled的沉积区域处；以及将功能完好的μled沉积到去除了故障μled的沉积区域。

尽管本发明已经阐述了某些具体实施例，但是显而易见地，本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等同的改变和修改。特别是关于由上述元件(部件，组件，装置，组合物等)执行的各种功能，术语(包括对“装置”的引用)旨在描述这些对应的元件，除非另有说明，即使在结构上不等同于本发明的实施例中所公开的执行该功能的结构，但对于执行所述元件的指定功能的任何元件(即，功能等同的)与本发明的所述元件等同。另外，虽然上述仅针对若干具体实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，对于任何给定或特定的应用可能是期望的和有利的。

工业适用性：

本发明可用于操纵微米级物体。可以使这种微操纵适用的领域是微型电子设备的拾取和放置。例如，使用mems吸引力的微操纵可用于帮助在印刷电路板(pcb)上组装小部件。作为另一个例子，使用mems吸引力的微操纵可以用于将微发光二极管(μleds)从一源基板转移到一显示器或目标基板。使用mems吸引力的微操纵也可以在生物学和化学中应用，用于微小物体(例如细胞或少量化学化合物或试剂)的微精确操作。本发明还可以用于通过应用面积相关的吸力来操纵宏观物体，面积相关的吸力由mems阵列中的多个mems元件施加。