显示像素、显示器以及操作显示像素的方法
专利名称：显示像素、显示器以及操作显示像素的方法
显示像素、显示器以及操作显示像素的方法
关于联邦资助的研究或开发的声明
美国政府对本发明具有付费许可，并且在有限环境中具有要求专利所有者基于合 理的条件向其他人提供许可的权利，其中所述合理的条件是依照国家科学基金会授予的许 可0729250以及国家科学基金会授予的许可0640964中的条款规定的。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2009年8月14日提交的美国临时申请61/234，070、2009年8月 14日提交的美国临时申请61/234，099、2010年2月24日提交的美国临时申请61/307，637 以及2010年2月25日提交的美国临时申请61/308，105的权益。本申请涉及题为 “ELECTROWETTING AND ELECTROFLUIDIC DEVICES WITH LAPLACE BARRIERS AND RELATED METHODS”且与本申请同一天提交的国际专利申请(律师案卷号U0C-218W0)。这其中的每一 个申请公开在这里都被引入作为参考。
背景技术：
本发明涉及电流体(electrof Iuidic)和电润湿显示像素、电流体和电润湿显示器 以及操作电流体和电润湿显示像素的方法。
对很多光学应用来说，电润湿是很有吸引力的调制方案。例如，电润湿已经用于为 光纤、相机或制导系统的光闸或滤光器、光学拾取设备、光波导材料以及视频显示像素提供 光开关。此外，电润湿还主要以数字液滴驱动流的形式应用于芯片实验室设备。
尽管存在大量商业应用以及很多正在进行研究，但是几乎所有基于电润湿的常规 设备都需要恒定地施加电压，以便将极性流体保持在特定几何形状。这些设备并不是“双稳 态的”，也就是说，在去除电压时，流体会沿着所有不受限制的流体表面自由返回到球面几 何形状。
所需要的是与彩色极性流体的几何形状的更先进控制以及用于显示应用的流相 适应的先进的电润湿或电流体显示技术。发明内容
根据本发明的一个说明性实施例,显示像素包括极性流体和非极性流体。该极性 流体和非极性流体占据形成在第一与第二基底之间的疏水通道。极性流体和非极性流体中 的至少一个通过第一和第二基底中的至少一个可看到。具有将电极与流体分离的电介质层 的电极电连接到电压源。所述电极及电介质层的设置可以使第一极性流体在疏水通道内前 进或移动。疏水通道内的拉普拉斯阻挡体(Laplace barrier)限定出对极性流体的前进开 放的流体通路。通过以小于或等于阈值电压的第一电压偏置电压源，极性流体移动至疏水 通道内的第一位置。所述第一位置提供第一显不状态。然后，在以大于第一电压的第二电 压偏置电压源时，极性流体移动到疏水通道内的第二位置。所述第二位置提供与第一显示 状态显著不同的第二显示状态。
在以第一电压偏置电极时，拉普拉斯阻挡体可以将极性流体限制在第一位置。所述拉普拉斯阻挡体依靠拉普拉斯压力操作。
在另一个实施例中，提供一种制造显示像素的方法。该方法包括通过光刻在第一 基底上的光刻胶层中图案化分隔器层。在所述分隔器层与第一基底上层叠分离层，其中分 离层是干膜光刻胶。该方法还包括通过光刻图案化分离层，以形成储液器以及与该储液器 耦合的流体通孔(Via)。第二基底被定位在第一基底的分离层上，以在分离层与第二基底之 间形成疏水通道。
在另一个实施例中，提供一种操作显示像素的方法。该方法包括在电流体像素内 将极性流体移动至第一位置，以及在电流体像素内使非极性流体产生位移，以提供第一显 示状态。该方法还包括在电流体像素内将极性流体从第一位置移动至第二位置，以及在电 流体像素内使非极性流体产生位移，以提供第二显示状态。极性流体被拉普拉斯阻挡体限 制在第一位置，以保持第一显示状态。
本发明的实施例提供一种适应于更先进地控制彩色极性流体的几何形状以及用 于显示应用的流动的先进的电润湿或电流体显示技术。这种改进的控制和流动显著改善了 显示性能。
在这里引入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且其连同上 文给出的关于本发明的一般描述以及下文给出的细节描述一起用于说明本发明的原理。
图1A是依照本发明一个实施例的设备的剖面示意图。
图1B是图1A所示的设备的一部分的透视图。
图1C是图1A所示的设备的顶视图。
图1D是包含第二极性流体的图1的设备的替换实施例的顶视图。
图1E是包含两个极性流体的常规设备的顶视图。
图2A是根据本发明一个实施例的与图1A相似的设备的剖面示意图，但是该图针 对的是施加推进第一极性流体的电压。
图2B是图2A所示的设备的一部分的透视图。
图2C是图2A所示的设备的顶视图。
图3A是与图2A相似的设备的剖面示意图，但是该图针对的是施加进一步推进流 体的第二电压。
图3B是图3A所示的设备的一部分的透视图。
图3C是图3A所示的设备的顶视图。
图4A、4C和4E是根据本发明另一个实施例的设备的剖面示意图。
图4B、4D和4F分别是图4A、4C和4E所示的设备的顶视图。
图5A- 是根据本发明附加实施例的设备的示意图。
图6A-6D是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的剖 面示意图。
图7A是根据本发明另一个实施例的具有无源矩阵电极的设备的剖面示意图。
图7B是图7A所示设备的顶视图。
图8A是根据本发明另一个实施例的具有有源矩阵电极的设备的剖面示意图。
图8B是图8A所示设备的顶视图。
图9是根据本发明另一个实施例的设备的顶视图。
图10A、11A和12A是根据本发明不同实施例的设备的剖面示意图。
图10BU1B和12B分别是图10AU1A和12A所示设备的顶视图。
图13A和13C是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的 剖面示意图。
图13B和13D分别是图13A和13C所示设备的顶视图。
图14A、15A和16A是根据本发明另一个实施例的四色设备的顶视图。
图14B、15B和16B分别是图14A、15A和16A所示设备的一部分的放大顶视图。
图17A、17C、17E、17G和171是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例 的连续步骤的剖面示意图。
图17B、17D、17F、17H和17J分别是图17A、17C、17E、17G和171所示设备的顶视图。
图18A和18C是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的 剖面示意图。
图18B和18D是图18A和18C所示设备的顶视图。
图19A和19B是根据本发明的使用多个彩色流体以及双原色系统的设备的两个实 施例的顶视图。
图20是将常规显示设备的光学性能与本发明的一个或多个实施例相比较的表格 和图表。
图21A-23D是本发明的一个或多个实施例的不同示例中的扫描电子显微镜以及 光学显微镜图像。
具体实施方式
虽然本发明是结合某些实施例而被描述的，但是关于这些实施例的描述旨在覆盖 可能包含在本发明原理内的所有替换、修改及等价布置。特别地，本领域技术人员将会认识 至IJ，这里描述的各种电流体设备的组件可以用多种不同的方式设置。
作用于与电绝缘的电极相邻的导电极性流体的电动机械力(electromechanical force)是本发明至少一个实施例的物理机制的基础。所述电动机械力来自导电极性流体与 将该电极绝缘的电介质之间的接触线路(line)附近。该电动机械力成比例于电容与偏置电 势或所施加电压的平方的乘积。该电动机械力通常取向为它从极性流体的暴露表面朝向外 部被引导。在将极性流体限制在空腔或通道内时，所述电动机械力还可以被解释为单位面 积上的力或压力。该设置提供了高速操作(大约毫秒级)，低功率的电容式操作(大约IOmJ/ m2)以及优良的可逆性。然而，本发明的替换实施例包括微流体领域中普通技术人员公知的 其他流体操控方法。这些替换方法包括但不限于没有绝缘体的电润湿、注射泵、热毛细、诸 如螺砒喃的光响应分子、介电泳、电泳以及微电机泵取。关于这里描述的拉普拉斯阻挡体的 不同实施例将很好地与流体操纵和传输的替换机制一起工作。在一些实施例中，拉普拉斯 阻挡体可被称为局部流体阻挡体或多孔流体阻挡体。
笛卡尔坐标系统将用于定义特定方向和取向。对于“之上”、“上部”、“之下”以及 “下部”之类的术语来说，所提及的这些术语仅是为了便于描述，并且仅代表用于描述特定实施例的一个可能的参照系。基于应用，这里描述的设备的维度覆盖了从纳米到米的大范 围的尺寸。在一些范例中，其中使用诸如可视的术语来描述面朝这里描述的实施例的上表 面的人类或机器视觉系统或其他光源或检测器。若干图示将会包含“侧视图”和“顶视图”， 其中“顶视图”是与基底表面垂直的方向，并且通常是基底的可视表面，在一些范例中是在 设备观看者或观察者的方向。这些顶视图可以是局部设备剖面，以便只显示特定特征子集 的设置，而不应总是将其认为是设备特征的实际顶视图外观。
这里描述的颜色系统和设备同样可用于反射式、透射式以及透射反射式显示器。 因此，光可以通过设备的上表面、下表面或这两个表面来透射或反射。设备可以同时以透射 /反射的双模模式操作，或者按照需要而在这样的操作模式之间切换。常规显示器中使用的 背光或其他光源同样完全兼容这里描述的设备，并且包含在本发明的原理内。
光既可以由位于设备外部的源来提供，例如背光或前光、波导或其他前光，也可以 由波导或其他光学设备来提供，还可以由周围环境，例如阳光或常规灯具来提供。任何耦合 光源的手段都是适用的，包括显示领域的技术人员已知的所有技术。
在这里使用术语“流体”来描述物理状态既不是固体也不是等离子体的任何材料 或材料组合。只要气体根据本发明的原理自由运动，那么该气体也可以被认为是流体。对 于诸如流体粉末之类的固体材料来说，如果该固体材料根据本发明的原理自由运动，那么 也可以将其认为是流体。术语流体并不局限于任何特定组成、粘度或表面张力。只要固体 材料是稳定散布在流体中，那么所述流体还可以包括任何重量百分比的固体材料。流体还 可以包含多种流体、分散剂、树脂、杀菌剂以及在具有苛刻的光学、温度、电子、污染或其他 性能规范的商业流体中使用的其他添加剂的混合物。
极性流体的示例包括水、丙二醇以及乙二醇。非极性流体的示例包括烯烃和硅油。 气体的示例包括氩、二氧化碳以及氮。如果使用包含不同固体微粒或溶解组分的一种以上 的流体，那么如果微粒或组分保持分离，则该流体优选是具有极性的。
非极性流体通常会渗透小缺陷或者位于非极性几何结构上。因此，随着非极性流 体在公共设备区域上的重复运动会发生混合。在一些情况中，极性流体绝不会接触固体表 面。例如在非极性流体在极性流体与固体表面之间形成薄膜的情况中。
这里描述的固体材料用于多个目的。
在很多情况中，色素(pigment)和染料(dye)是可以分散或溶解在流体中以改变 流体的至少一个光学或频谱属性的固体颗粒。
基底可以是玻璃、塑料、金属箔、纸张、或是多种支持这里描述的设备构造的其他 材料。
分隔器(spacer )可以用与构造基底中使用的固体材料相类似的固体材料来制造。 在一些情况中，分隔器可以是基底本身的一部分，例如通过蚀刻、激光处理、微复制或其他 技术来形成这样的分隔器。还可以由光固化的环氧树脂或光刻胶，例如MICROCHEM SU-8或 DUPONT Per-MX来形成分隔器。
只要电极材料提供适当的电传导性，那么电极可以由诸如In2O3: SnO2或 PEDOT:PSS之类的透明固体材料构造，或者可以由诸如铝之类的反射性固体材料构造，或者 还可以由诸如炭黑之类的有色固体材料制成。电压源可以是来自电源或是诸如薄膜晶体管 之类的本地产生的电压或电流源的直流电压源。显示和微流体领域的技术人员所知道的众多直流、交流或其他类型的电压源同样是适用的。
电介质可以包括任何提供适当电绝缘的固体材料，并且举例来说，所述材料可以是诸如氮化硅(SiN)之类的无机物，诸如聚氯代对二甲苯之类的有机物，或是派瑞林F之类的氟化物，上述各项的混合物、分层及组合。电介质厚度的范围可以是从IOnm到10 μ m，由此分别导致产生IV与120V之间的电压。固体表面或膜可以本质上是疏水的，或者例如通过添加薄膜或涂层，通过等离子处理，通过分子单层处理或是其他手段来配备疏水性规则。 诸如CYT0NIX氟化聚合物和ASAHI氟树脂之类的含氟聚合物提供了示例的疏水性。如果使用具有与固体材料相似的表面张力的非极性流体来替换气体，那么对于诸如气体中的水之类的极性流体而言不具有疏水性的附加固体材料仍有可能是疏水的。
通常，在这里使用术语“疏水”来描述大于90°的杨氏(Young’ s)润湿角，并且在这里使用术语“亲水”来描述小于90°的杨氏润湿角。然而，在某些设备或材料配置中，疏水或亲水功能可以扩展到这些限制之外。超级疏水涂层是对于气体中的极性流体呈现出大杨氏角的涂层，并且通过对表面进行几何纹理化来实现。
电压源可以是来自电源或是诸如薄膜晶体管之类的本地产生的电压或电流源的直流电压源。显示和微流体领域的技术人员所知道的众多直流、交流或其他类型的电压源同样是适用的。电压源可以根据需要而被偏置0V、正DC电压、负DC电压或是AC电压等。
反射器材料可以包括金属膜、具有多层电介质且具有不同折射率的层、填充颗粒的聚合物或流体，其中所述颗粒的折射率不同于聚合物或流体、一维或多维光子晶体，或是光学和显示领域的技术人员已知的其他反射器。
散射介质包括具有散布在其中的颗粒的聚合物或流体，其中所述颗粒的折射率不同于所述聚合物或流体，以及结构化的聚合物或金属，微复制的光学设备，或是光学和显示领域的技术人员已知的其他散射特征物。
黑矩阵和滤色器是在反射或透射模式中吸收部分或全部光谱的任何固体或流体材料。
除非另外指出，否则术语凹面和凸面都是指与沿着流体的暴露弯液面的最小曲率半径相关联的几何形状。应该理解的是，弯液面上的其他较大的曲率半径可以是反向凹入的或凸起的，但是其对弯液面的拉普拉斯压力只有较弱的影响。在图中通常并未示出这些附加半径，但是依照其对设备设计和操作的较弱的影响，这些附加半径是很容易理解的。
术语通道或疏水通道被用于描述流体的物理限制，其中所述通道的水平维度要大于其垂直维度，并且在本发明的一些实施例中，所述通道将提供可视地显示流体的手段。通道通常由所制造的图案化基底所特有的一个或多个壁来限定或限制。
术语储液器可以是形成为设备的一部分，或是处于设备的外部的任何特征物，包括可以在液体准备好移入或移出设备之前存储或保持流体的任何特征物。储液器还可以是与附加的设备、腔室或通道相连，或不相连的简单入口 /出口或通孔。
术语导管将用于描述为流体流动提供通路的特征物，并且与储液器相似，所述导管可以集成在设备内，或者在一些情况中也可以处于设备外部。
流体可以使用若干方法之一加入到本发明的设备中。极性流体可以用非极性流体来乳化，然后完成设备之后在物理上、化 学上或光学上将其彼此分离。极性流体可以真空地加入到储液器中、添加非极性流体以及密封设备。非极性流体可以加入储液器、添加极性流体以及密封设备。通过在极性流体与电极之间施加电压，可以将极性流体电润湿到某个区域。关于加入组合的众多替换和组合包含在本发明的原理内。
以上描述提供用于本发明实施例的材料和组件的示例；然而，任一特定实施例的描述意图覆盖光学、显示、微流体、电润湿、电流体、微复制、电子及相关学科领域的技术人员已知的所有替换材料、组件和设置。
现在参考图1A-1D并根据本发明的实施例，示出的电流体设备10包括底部或第一基底12以及处于第一基底上的第一电极14,顶部或第二基底16以及处于第二基底16上的电极18。电极14、18进一步涂有电介质20。电介质20的表面借助疏水涂层22而具有疏水性。极性流体24和非极性流体26处于由两个基底12、16或是在其上制造的层的壁29a、 29b所限制的通道28内。电压源30与两个电极14、18电耦合。
借助电极14、18，电压源30被电绝缘并且与极性流体24电容耦合。如电润湿领域的技术人员所知的，替换的导电和绝缘电极设置同样是可行的。在施加了恰当电压时，极性流体24的接触角将从杨氏角(θγ)减小到电润湿接触角(θν)。该接触角减小归因于由电压施加电润湿效应所产生的电动机械力。
图1A-1C的图示并未示出将在以下结合图4示出和描述的完整设备结构。相反， 图1A-1C的目的仅仅是一般描述控制拉普拉斯阻挡体的基本物理原理。作为第一近似，电润湿效应可以根据下式来预测
cos 0v=(yod-y pd)/ y po+CV2/2 Ypo
其中C是电介质20的单位面积上的电容；Y是极性流体24 (P)、非极性流体26(O)以及电介质20 (d)之间的面间表面张力；以及V是所施加的DC电压或是电压源30施加的AC RMS电压。Θ Y的余弦通过(Y M-Ypd)/Yp。预测。当非极性流体26是油时，诸如水或乙二醇之类的极性流体24可以显现出θγ>160°。0￥可以小至30°到60°。除了微观变化之外，杨氏角在电润湿过程中是不变的。在这里为了图示简单起见，θν是在没有此类考虑的情况下绘制的。
进一步参考图1Α，示出大的杨氏角，并且由此极性流体24的凸面弯液面是明显的。该凸面弯液面具有导致产生依照下式的拉普拉斯压力的曲率半径
Ap=Ypo(IZR^IZR2)
其包括极性流体24 (RijR2)的弯液面的原理曲率半径。
电流体设备10包括常规设备结构不可能具有的功能。特别地，电流体设备10包括在这里图示为一个或多个具有疏水涂层的分隔器32的拉普拉斯阻挡体，这在分隔器32的两侧或之间创建两个或更多的通路34。通路34总体定义了极性流体24在通道28内前进的流体路径。在下文详细说明的恰当操作条件下，极性流体24可以像不存在分隔器32 — 样流经通道28以及分隔器32，S卩，好像作用于极性流体24的唯一力是由于通道配置造成的一样。
在图1A-1C中，未从电压源30施加电压，并且极性流体24具有小且凸起的垂直曲率半径36。结果，极性流体24将会遭遇到不允许其向前运动或是使其从所显示的电流体设备10的部分退回的净压力38。
图1D示出了电流体设备10-1的另一个替换物，其与图1A的设备相似，但是还包括第二极性流体40。可以看出，与分隔器32毗邻的第一和第二极性流体24、40可以紧密邻接而不整合。相应地，与缺少拉普拉斯阻挡体的常规设备10-2 (图1E)相比，设备10-1可以提供增加的表面面积覆盖。
如图2A-2C所示，电压源30向第一和第二电极14、18提供足以将垂直的曲率半径 36反转成凹进的第一电压(+V)，其中所述第一电压小于阈值电压。这将使极性流体24在通道28中朝着分隔器32前进(由表示在极性流体24上导致产生电动机械压力的电荷的“ + ” 和标记指示)。然而，当极性流体24到达该行分隔器32时，通过在极性流体24的弯液面上给予第二和水平曲率半径42，这些分隔器32将用作多孔流体阻挡体(即拉普拉斯阻挡体)。由此，极性流体24会在零净压力下均衡，其中所述零净压力是图2A-2C中曲率半径36 和42相等的点。这种情况是曲率半径36和42的一个局部示例，并且在本发明的替换实施例中，其他阈值也是可以实现的。虽然没有显示，但是可以·预想的是，如果极性流体24尝试进一步向前移动，那么水平曲率半径42将减小，这对图1A-3C中呈现的设备10来说是非常不利的。
接下来，如图3A-3C所示，电压源30可以提供第二电压(+V2)，其中所述第二电压大于阈值电压，并且将垂直曲率半径36减小至极性流体24将在具有净压力38而不考虑水平曲率半径42的情况下向前移动的点。换句话说，当电压源30提供超出阈值电压的第二电压电平(+V2)时，极性流体24不受分隔器32限制，并且前进到分隔器32之外的第二位置。在缺少诸如拉力和润湿滞后之类的因素的情况下，极性流体24的这种前向移动的阈值理论上是垂直曲率半径36小于分隔器32之间的距离的一半或是通路34的一半宽度的点， 这其中包括拉普拉斯阻挡体。一旦极性流体24超出拉普拉斯阻挡体，那么它会表现出几乎没有阻力或阻碍。例如，分隔器32的高度和直径可以是5 μ m，并且相邻的分隔器之间可以间隔50 μ m。结果，通过流体通路34和分隔器32获取的大约90%的剖面面积可用于流体流动。
这种流动容易性是相对于诸如局部阻挡体、电容毛细管阻挡体或其他微流体限制之类的常规技术的主要优点。此外，本发明的实施例提供了一种独特的方法，这是因为一旦极性流体24的前进边缘超越拉普拉斯阻挡体(在这里是分隔器32)，那么极性流体24将快速地重新获得与处于拉普拉斯阻挡体之前的第一位置的极性流体24内的拉普拉斯压力相似的拉普拉斯压力。结果，通过使用第一电压，极性流体24能够继续流经拉普拉斯阻挡体， 并且其容易度与通道28中没有阻挡体的情况相似。此外，在不需要施加电压的情况下，极性流体24可以作为处于多个位置的单个容量驻留在拉普拉斯阻挡体的两侧。
现在参考图4A-4F并且根据本发明的实施例，在这里描述的电流体设备50可以提供两个或更多的流体定位位置。电流体设备50包括第一和第二基底12、16。如所示，第一基底12包括三个分离且不同的电极132、134、136以及一个分裂电极138，并且在下文中将会对此进行更详细的描述。电介质140覆盖电极132、134、136、138，并且疏水层142覆盖电介质140。第二基底16包括具有疏水层142的上部电极144。在通道28内包含多个围绕电极132、134、136、138、144的周边的分隔器32，并且这些分隔器可以采用先前参考图3A 所示的方式来构造。如所示，与围绕周边的这些分隔器32相比，一些分隔器145可以具有不同的形状。
图4A的说明性实施例能够提供两个或更多的用于流体定位的位置。如图4A和4B 所示，四个电压源146、148、150、152分别提供上部电极144与第一、第二、第三和分裂电极132、134、136、138中的每一个之间的电压。上部电极144与极性流体24是导通的。结果， 极性流体24部分覆盖第一、第二、第三和上部电极132、134、136、144。
如所示，不同于常规设备，在从一个显示状态运动到另一个显示状态时，极性流体 24包围分隔器32的所有暴露表面。换句话说，分隔器32被极性流体24围绕或包围。
参考图4C和4D，电流体设备50被显示成去除了来自与分裂电极138相关联的第 四电压源152的电压。在从分裂电极138去除电压时，分裂电极138之上的通道28中的极 性流体24的弯液面的垂直曲率半径(未显示)将变得小且凸起，这将导致极性流体24从分 裂电极138上方的通道28中去润湿。这使极性流体24分成两个容量一个容量的极性流 体24a占用的是第一电极132上方的通道28，并且一个容量的极性流体24b占用的是第二 电极134上方的通道28,其中第一和第二电压源146、148仍旧向第一和第二电极132、134 供应电压。如果随后从第一和第二电极132、134去除来自第一和第二电压源46、148的电 压，那么由于围绕电极132、134、136、138、144的周边的分隔器32的影响，极性流体的容量 24a、24b仍旧驻留在图4C和4D显示的位置。
接下来，如图4E和4F所示，通过从第四电压源150施加电压，容量24b (图4C)从 第二电极134上方移动到第三电极136上方。当电压被去除时，容量24b由分隔器32而被稳定。
若干个其他的替换实施例也是可行的，但是在这里并未显示这些实施例。例如，两 个容量24a、24b可以稳定在第二和第三电极134、136上，其中任一容量都不会彼此接触或 混合。通过形成较宽拉普拉斯阻挡体的较大分隔器145来增强避免液体混合、合并或接触。 图4A-4F所示的特定实施例提供这两个容量24a、24b的优异的接近定位。例如，如果将六 边形形状的液体紧挨着彼此封装，那么不能以极性流体24填充的水平空间将包含六个六 边形亚三角中的两个或是六边形区域的30%。正方形的封装密度可以更高，并且与最常用的 电极格式更加兼容。通过这里描述的拉普拉斯阻挡体的不同实施例实现了这种将两个正方 形形状的液体紧挨着彼此封装而且还允许极性流体24从一个正方形前进至另一个正方形 的能力，并且这种能力消除了对于极性流体的圆形或六边形容纳的需求。
此外，在另一个替换设置中，以图4C和4D所示的情况开始，通过经由第四电压源 152向分裂电极138施加电压，容量24b可以重新加入容量24a。然后，在将电压施加与第 二和第三电极134、136的情况下，单个容量的极性流体24可以移动到第二和第三电极134、 136之上，并且即使在去除这些电压时也可以被稳定。由此，可以提供一种用于稳定彼此相 邻或彼此联合的极性流体24的机制，其中这两个实例都具有拉普拉斯阻挡体所确定的预 期流体几何形状。
在一个分隔器32被错误制造时，可以提供第二或更多行的相邻分隔器32，以确保 合适的拉普拉斯阻挡体功能。这种改进可以改善设备功能或是提高产量。
图4A-4F所示的电极和电介质设置以及这里描述的所有其他实施例并不局限于 图中示出的特定电介质和电极布置。例如，分裂电极138和相关电介质140可以由第二基 底16保持。只要电极和拉普拉斯阻挡体根据这里描述的基本电子和流体原理工作，那么任 何设置都是可行的。
进一步参考图4A-4F，拉普拉斯阻挡体可以在数学上定义如下。极性流体24的容 量受到限制，由此极性流体24的最小水平半径曲率总是大于相邻分隔器32之间的通路34(图1C)的宽度的一半。这还可以描述成极性流体24具有最大曲率半径，其中该最大曲率半径大于由拉普拉斯阻挡体在极性流体24上给予的最小曲率半径。通常，相邻分隔器32之间的通路34 (图1C)的宽度应该始终大于分隔器32的高度与在所施加电动机械力下获得的最小接触角的余弦的乘积。
进一步参考图4A-4F以及这里将覆盖的所有其他实施例，极性流体24必须能够穿越相邻电极132、138、134、136之间的空间。若干种机制都是可行的，并且所有这些机制全都包含在本发明的原理内。如电润湿芯片实验室领域的技术人员所知的，电极交错结合在桥接相邻电极132、138、134、136之间的间隙方面是有效的。由于电场随着距离而分布且不会在绝缘介质中突然终止的，因此电极132、138、134、136也可以构造成彼此非常接近。在一些情况中，对电极132、138、134、136提供极性相似或相反的电压已被证明是有帮助的。 在其他情况中，相对于电极132、138、134、136之间的空间来说，形成拉普拉斯阻挡体的分隔器32可以局部不重合或者可以是交错的，以便在电极132、138、134、136之间的空间提供极性流体交错结合的替换手段。极性流体24还可以具有至少部分在电极132、138、134、136 之间的空间上突起的容量。其多种组合和设置都是可行的，并且包含在本发明的原理内。
进一步参考图4A-4F，在这里将拉普拉斯阻挡体描述成在几何形状方面是直的。虽然这对一些实施例而言是优选的，但是拉普拉斯阻挡体也可以采用对极性流体24而言更为自然或者在极性流体24由 于电动机械力而前进期间更为自然的形状。这例如可以允许拉普拉斯阻挡体和极性流体24同时在大多数或是所有可能的位置彼此遭遇。
现在参考图5A-5D，这些附图显示的是根据本发明的其他不同的实施例且使用替换的拉普拉斯阻挡体的电流体设备。通常，这些设备包括第一和第二基底12、16，其中在第一基底12上具有第一和第二电极162、164。电介质166覆盖电极162、164。第二基底16 包括上部电极168以及覆盖上部电极168的电介质166。第一电压源170顆合第一和上部电极162，168 ;第二电压源172耦合第二和上部电极164，168。
如图5A所示，以类似于图4A的方式构造的分隔器32可以设置为二维阵列，例如正方形或六边形图案的分隔器32。设备160所工作的方法中的唯一变化在于，使极性流体 24 (图1A)运动通过分隔器32所必需的阈值电压幅度与保持极性流体24向前运动并且覆盖电极162、164所需的电压幅度是相同的。以下是这种方法的三个优点(1)其功能与图 4A的设备50相似，但是可以在不需要沿着电极162、164的周边精确对准分隔器32的情况下实现；(2)极性流体24 (图1A)可以在处于电极162、164之间且覆盖所述电极的多个中间位置处稳定；以及(3)分隔器32之间的间隔不需要是均匀的。例如，虽然没有显示，但是如果在第一电极162左侧的图5A的分隔器32比第一电极162的右侧的分隔器定位得更加接近，那么当极性流体24 (图1A)从第二电极164移动到第一电极162时，极性流体24 (图 3A)的最终位置是可基于从第一电压源170施加到第一电极162的电压而选择的。由此，需要更大的电压以移动通过通道28中具有较小间隔的分隔器32的部分。
与常规的电润湿设备不同，图5A的设备160具有可以在极性流体24的容量具有最小位移的情况下，对极性流体24 (图1A)的移动和稳定性提供这种适应和强壮影响的分隔器32。例如，分隔器32的高度和直径全都可以是5μπι，并且位于正方形阵列中的相邻分隔器32之间的间隔可以是50 μ m。净效应等同于方形单位设备内具有一个截面积为 3 χ2· 5 μ m2 (大约20 μ m2)较大分隔器或是像素截面积为50x50 μ m2 (2500 μ m2);或者换句话说，一个分隔器32占用的截面积将小于像素的总的水平截面积的1%。这对于视觉显示特 定流体或是以最大速度和容量来移动流体的状况而言是有利的。此外，还有利的是，这与常 规的电流体设备相比更有效地使用了空间。由于分隔器32通常是调节第一与第二基底12、 16之间的间隙所需的，因此，这些分隔器32可以使用单个光刻掩膜步骤来同时制造。分隔 器32可以创建对流体流动几乎没有附加妨碍或阻碍的拉普拉斯阻挡体。与在常规的电润 湿显示设计中使用的疏水网格或分隔器不同，通过在放置分隔器32的基底上创建低电容， 分隔器32不会实质上减小两个电润湿板之一的电润湿。
在图5B所示设备180的替换实施例中，导线或塑料丝网代替图5A中的分隔器32 作为拉普拉斯阻挡体。丝网182是导电的，并且其涂覆有非常薄的含氟聚合物，所述丝网 182也可以用作极性流体24 (图1A)的局部电接地。丝网182可以是编织的、熔化的或其 他类型的多孔织物或薄片，并且其具有仅仅需要将丝网、织物或薄片布置在第一与第二基 底12、16之间的经济上的优势。
在另一个实施例中，图5C所示的设备190包括分隔器球体192，其中只要所述分隔 器球体表现出如针对本发明描述的那样允许流体流动的平均分离度，那么这些分隔器球体 可以用作拉普拉斯阻挡体。
与针对图5A描述的分隔器32不同，图5B和5C的塑料丝网182以及分隔器球体 192影响跨越且包含该曲率半径平面的任何锐角的极性流体24 (图1A)的曲率半径。换句 话说，由拉普拉斯阻挡体所导致的极性流体弯液面的减小的曲率半径可以处于与垂直平面 成角度的平面。
在图所示的另一个实施例中，设备200拉普拉斯阻挡体由一个或多个突起或脊 部202组成，其中所述突起或脊部的高度小于通道28的高度。在这种情况下，脊部202将 不用作基底12、16之间的实际物理分隔器，而是仍旧用作拉普拉斯阻挡体。由于脊部202 在高度上比通道28短，因此，在保持相似的拉普拉斯阻挡体属性的同时，脊部202之间的较 小分离度可以在极性流体通过脊部202之后促使所述极性流体更快速地重新结合，在一些 情况中，极性流体24从未分裂。通常，为了促使极性流体24 (图1A)在经过脊部202时不 分裂，与分隔器32 (图5A)相比，拉普拉斯压力应该有利于脊部202顶部上的前向移动，在 一些情况中，这需要第二基底16与脊部202的顶部之间的距离大于脊部202的直径。虽然 术语脊部202看似是指特定的形状，但是所述脊部202并不限于此。相反，所述脊部202可 以包括任何延伸进入但却没有完全穿越通道28的物理结构，包括高度大于其宽度或直径 并且由此形状与柱状物相似的脊部。
图5A- 所示的具体示例并不形成限制设置。相反，图5A- 所示的示例说明拉 普拉斯阻挡体的多种变体和实施例包含在本发明的原理内。附加的拉普拉斯阻挡体可以部 分或者全部由表面能、表面粗糙度、接触角滞后和/或两个基底之间的通道的高度组成。例 如，一个或多个基底上的脊部格栅可以提供拉普拉斯阻挡体功能。此外，具有拉普拉斯阻挡 体的设备还可以使用局部或多孔流体阻挡体，例如电极的局部遗漏部分，或是局部降低极 性流体上的电动机械力的局部增加的电介质厚度。
进一步参考图5A-5C以及本发明的其他实施例，第二基底16不需要承载电极，并 且在通道28中不需要具有接地导线(未显示)或其他电耦合。替代的，共面电极是电润湿领 域的技术人员众所周知的，并且这种电极包含在本发明的原理内。本领域普通技术人员将容易理解如何在本发明的任一实施例中实施共面电极。
参考图6A-6D,描述了根据本发明另一个实施例的电流体设备206。设备206包括 第一和第二基底12、16。作为第一基底12上的块(block)形成的电介质208定义了通道部 分210，而第一基底12的剩余部分与第二基底16 —起形成储液器212。电介质208包括下 部电极214以及分裂电极216，其中分裂电极216在进入通道部分210的流体通路附近或 是与储液器212基本相邻的位置形成。第二基底16包括上部电极218以及覆盖所述上部 电极218的电介质208。第一电压源220通过极性流体24电耦合到下部和上部电极214、 218。第二电压源222耦合分裂电极216和极性流体24。如所示，分裂电极216由此提供将 来自疏水储液器212的极性流体24引入通道部分210的手段。
在没有从图6A所示的第一或第二电压源220、222中的任何一个的电压的情况下， 与通道部分210中的较小曲率半径226相比，由于疏水储液器212在极性流体24上赋予 较大的曲率半径224，因此，极性流体24将有利于占用疏水通道部分210上的疏水储液器 212。如图6A所示，在没有施加电压的情况下，曲率半径224、226使极性流体24退回到疏 水储液器212中。然而，根据本发明的原理，需要用于稳定通道部分210中的极性流体24 的机制。此外，一旦在通道部分210中稳定了极性流体，那么必须允许其在具有恰当电激励 的情况下返回到疏水储液器212。拉普拉斯阻挡体不能单独实现上述功能，因为拉普拉斯阻 挡体仅仅会对前进的极性流体24起作用，即，不会收回极性流体24。因此，图6A-6D中的电 流体设备206的分裂电极216被构造成与疏水储液器212以及至少一个分隔器32相邻。
如图6B所示，第一和第二电压源220、222向极性流体24以及电极214、216、218 供应电压。结果，产生足以使极性流体24前进至通道部分210以及经过分隔器32的净压 力228。为了停止或减少流体的前进，则减小或停止从第一电极214施加的电压。
为了将极性流体24保持在指定或预期的位置，在分裂电极216上去除或减小由第 二电压源222施加的电压。相应地，极性流体24去润湿分裂电极216上方的区域。如图6C 所示，从第一电压源222施加到下部电极214的电压也可以被去除，并且然后极性流体24 将会稳定。
图6A-6D的设备206实现三个特征(I)将极性流体24从疏水储液器212移入通 道部分210的双稳态机制；(2)通道部分210内的极性流体24的量可以基于时间或从电压 源220、222提供的电压而改变；以及(3)拉普拉斯阻挡体(被显示成分隔器32)稳定极性流 体24，以使其始终与分裂电极216相邻。由于这个第三优点，当由第二电压源222再次向分 裂电极216施加电压时，如图6D所示，极性流体24可以退回到储液器212中。在过程的结 束时，由第二电压源222提供给分裂电极216的电压可被去除，以使极性流体24返回到图 6A中示出的位置。
用于改善相邻电极之间的流体流通的若干种机制都是可行的，并且这些机制全都 包含在本发明的原理内。如电润湿芯片实验室领域的技术人员已知的，电极交错结合在桥 接相邻电极之间的间隙方面是很有效的。由于电场随距离分布且不会在绝缘介质中突然 终止，因此，电极还可以被构造成彼此非常接近。在一些情况中，在相邻电极上提供极性相 似或相反的电压可以证明是有帮助的。在其他情况中，拉普拉斯阻挡体可以相对于电极之 间的空间局部不重合或者交错，以便在电极之间的该空间提供极性流体交错结合的替换手 段。极性流体还可以具有至少部分在电极之间的空间上突起的容量。其众多组合和排列都是可行的，并且全都包含在本发明的原理内。
如图6A-6D所示，用于将极性流体24从储液器212引入通道部分210的机制需要 电润湿第一和第二基底12、16。虽然没有特别示出，但是也可以使用单个电极和电润湿表面 将极性流体24引入通道部分210。如果分隔器32包含由电介质材料围绕的电极，那么相邻 分隔器之间的分离度可以减小，并且这些分隔器可被电润湿，以及将极性流体24从疏水储 液器212电润湿或使其渐进到通道部分210。
进一步参考图6A-D，具有拉普拉斯阻挡体的设备206可以提供用于灰度重置的机 制。如先前所述，当电极214、216、218在第一电压上被偏置到阈值电压时，拉普拉斯阻挡体 可以促使极性流体24前进至所述拉普拉斯阻挡体，但是不会超出该阻挡体。由此，设备206 可以提供取决于设备206内包含的拉普拉斯阻挡体的数量的精确灰度值。相应地，提供了 用于极性流体24在两个或更多位置的灰度布置的更精确的机制。应该理解，在极性流体24 移动到拉普拉斯阻挡体以及随后从拉普拉斯阻挡体移开一定距离(例如在两个相邻拉普拉 斯阻挡体之间的位置)时，对于在拉普拉斯阻挡体之间布置极性流体24而提供更精确的机 制。该功能可被称为灰度重置状态，其避免了两个或多个灰度状态(即极性流体24的位置) 之间的多次切换的灰度累积误差。灰度重置在视觉上是优选的，因为灰度重置通常需要将 极性流体24重置以完全填充通道部分210或储液器212，而这将导致每次改变灰度状态时 信息显示中可观察到的闪烁(f I i cker )。
现在参考图7A和7B，示出根据本发明另一个实施例的电流体设备270。同样，电 流体设备270包括在其间形成通道28的第一和第二基底12、16。第一基底12包括三个下 部电极272、274、276以及覆盖第一基底12和电极272、274、276的电介质278。第二基底16 包括三个上部电极280、282、284，并且在这些电极上具有电介质278。上部电极280、282、 284被定位成与第一基底12的下部电极272、274、276正交，由此形成如图7B所示的类似于 网格的行(第二基底16的上部电极280、282、284)和列(第一基底12的下部电极272、274、 276)的图案。这种上部和下部电极272、274、276、280、282、284的设置创建用于在多个位置 之间移动极性流体24 (图3A)的所谓的无源矩阵电极。虽然本领域普通技术人员将容易理 解无源矩阵电极的实施方式，但是在此将设备270示出具有通用电压源283，其中所述通用 电压源代表与上部和下部电极272、274、276、280、282、284中的单独一个电耦合的不同电 压源。
电流体设备270在多个位置之间水平移动极性流体24 (图1A)，以便将双稳态像 素中的极性流体24在两个视觉上不同的状态之间进行切换(图1A)。例如，如果极性流体 24 (图1A)要同时覆盖一个以上的行或列电极，那么通过极性流体24 (图1A)，所覆盖电极 之间的电容耦合会使驱动方案复杂化。相应地，如果金属的用作拉普拉斯阻挡体的导线丝 网182可以用作在所有位置的极性流体24 (图1A)的电接地电极。然后，导线丝网182可 以被设计成使得第一和第二基底12、16上的电润湿必须同时提供，以使极性流体24(图1A) 通过导线丝网182前进。结果，极性流体24 (图1A)仅仅朝向提供有恰当电压的相邻的行 和/或列电极移动。该实施例的这个方面提供用于对极性流体的移动进行无源矩阵电控制 的简单手段。
类似地，常规的电润湿显示器可以包括用于在两种视觉上不同的状态之间切换双 稳态像素中的极性流体的无源矩阵技术。然而，多个电极以及极性流体之间的电容耦合会使得此类常规电润湿显示器中的无源矩阵操作降级。
参考图8A和8B，描述根据本发明另一个实施例的电流体设备296。该电流体设备 296以有源矩阵电极方案构造，S卩，第一基底12包括排列为类矩阵图案并被电介质299覆盖的多个电极298η (其中在说明性实施例中，η的范围是从a到h)。第二基底16包括接地电极300，并且与第一基底12协作而在其间形成包含极性流体24和非极性流体26 (图1A) 的通道28。有源电极方案可以在由每一个电极298η限定的多个位置之间移动极性流体24 (图1Α)。用于每一个电极298η的薄膜晶体管302η提供了针对每一个电极298η的本地电压控制，并且由此控制电极298η上的极性流体24 (图1Α)的电润湿。作为替换，薄膜晶体管302η可以直接向极性流体24 (图1Α)提供电压。无论哪一种情况，当极性流体24 (图 1Α)在电极298η之间移动时，极性流体24 (图1Α)与电极298η之间的电容改变。在有源矩阵驱动中，即使极性流体24 (图1Α)与电极298η之间的电容是可变的，对其进行放电也是容易实现的。然而，在极性流体24 (图1Α)与电极298η之间构建电容来使极性流体24 (图1Α)在电极298η上前进提出一个难题，这是因为电极298η与极性流体24 (图1Α)之间的电容会随着极性流体24 (图1Α)在电极298η上方的前进而增大。在有源矩阵驱动的典型写入时间中，极性流体24 (图1Α)在电极298η上前进的过于缓慢，以至于不允许电容达到最大。结果，需要薄膜晶体管298η的多个行电压写入循环来完成极性流体移动。由此， 优选设置存储电容或多个薄膜晶体管302η以促进极性流体24 (图1Α)的快速移动。多种此类电驱动方案是有源矩阵显示器领域的技术人员所公知的，并且这些方案全都包含在本发明的原理内。
参考图9，描述根据本发明实施例的另一个电流体设备260。示出第一基底12， 并且该基底包括采用方形电焊垫的典型形式的分段电极262a、262b、262c、262d (统称为 262η)，以便在两个或更多的分段电极262η上移动极性流体24 (图1Α)。通过包含第二基底16 (图1Α)，可以与第一基底12—起形成通道28 ;然而为了简单起见，在通过通道28的这个剖面中并未显示第二基底16 (图1Α)。通常，分段电极布局需要至第一基底12边缘的电焊垫 266a、266b、266c、266d 的多条电极线 264a、264b、264c、264d (统称为 264η)。作为替换，虽然未示出，但是电极通孔(via)可以采用与在印刷电路板中使用的方式相似的方式延伸通过第一基底12。在典型实施例中，电极线264η端接于第一基底边缘附近，并且采用一对一的方式分 别与电极162η相连。对于电极262η全都保持在相同基底上的情况,分隔器32可以放置在电极线264η与各个分段电极262η相连的位置。这种结构防止了极性流体24 (图1Α)被机电地且过早地推动到电极线264η上。虽然没有具体示出，但是替换的方法是实施一条在水平方向上很窄的电极线，以使有效电极线区域不足以将极性流体24 (图 1Α)拖到电极线上。
参考图1OA和10Β，示出根据本发明另一个实施例且用于使用针对图1Α-9所描述的一个或多个能力的设备300。设备300包括用玻璃之类的刚性材料或是在制造期间附着于刚性载体的非刚性材料制成的第一和第二基底12和16。非刚性材料可以是柔性或可卷曲的，例如塑料。第一基底12包括电介质302，所述电介质302具有在其内延伸的储液器 304。在储液器304的底部表面上制成诸如炭黑或二萘嵌苯黑色颜料之类的吸光基础材料 306，用于减少来自设备300中那些不能被流体24、26覆盖的部分的反射，并且由此提高像素对比度。针对图10来说，通过在极性流体驻留在储液器304的同时减小来自极性流体24(图1A)的反射，基础材料306也可用于提闻像素对比度。
为了实现用于特征图案化处理的最大分辨率，优选是除了储液器之外将包括分隔器32在内的所有结构全都制造在第二基底16上。如所示，分隔器32是用炭黑或萘嵌苯黑色颜料构造或是涂覆了炭黑或萘嵌苯黑色颜料的。由第一基底12承载的结构，即储液器 304、电介质302和基础材料306可以使用单一的光刻掩膜步骤来制造，因为这些结构共享水平面上的互补几何形状。
设备300还包括在图1OA中作为薄膜晶体管示出的一个或多个电压源308，但是作为替换，如显示领域的技术人员所熟知的，这些电压源也可以是形成小的切换电路和/或存储电容器的多个薄膜晶体管。电压源308包括能够在电压源308与极性流体24 (图1Α) 之间为极性流体24 (图1Α)的在通道28内的所有位置保持电连接的电极310。为了保持电极310与极性流体24之间的电连接，与在设备300中发现的固有或是通过添加具有疏水性的涂层得到的其他表面相比，电极310的疏水性可以更强。
由于晶体管不透明且第一基底12可以由透明材料制造，因此，视点311来自有利位置，由此通道28内的极性流体24 (图1Α)和/或非极性流体26 (图1Α)通过第一基底 12可观看到。
第一基底12还可以包括由电介质314围绕的电极312。第二基底16同样可以包括被电介质314围绕的电极316。在第一与第二基底12、16之间形成的通道28包括至少一个拉普拉斯阻挡体，其中该阻挡体在这里被特别显示成多个分隔器32。
仍旧参考图1OA和10Β，储液器304连接至管道318，该管道318在极性流体24从储液器304移 出并进入通道28时为非极性流体25提供进入储液器304的通路。该管道 318导致储液器的几何形状是非对称的，这有助于促使极性流体24开始从储液器304流入通道28。
图1lA和IlB示出根据本发明实施例且与图1OA的设备300的结构相似的设备 320。设备320的电压源321在储液器304的底部表面上制造，由此，相关联的电极322是在储液器304的底部表面以及侧壁上制造的。相应地，视点311指向第二基底16上方。
为了实现用于图案化的最大分辨率。包括分隔器32的结构可以在第一基底12上制造。在将第一基底12与第二基底16进行装配的期间，在第二基底16上制造且包括上至电极18以及相关联的电介质302的这些结构不需要与第一基底12承载的相应结构对准。
现在转到图12A-13D，示出根据本发明另一个实施例的设备330，其中如参考图1OA所述，所述设备330具有第一和第二基底12、16，并且在第一基底12上具有电介质302。 与图1OA的设备300不同，设备330包括两个储液器332、334。每一个储液器332、334可以采用与图1OA的储液器304相似的方式构造，并且每一个都可以包括不同的极性流体24，40 (图1Α)，当在设备320的通道28中显示并且从视点311查看的时候，每一个极性流体24、 40 (图1Α)都具有不同的光学属性。当在设备330或是这里描述的其他任何单个设备中使用多个极性流体时，可以使用一个以上的拉普拉斯阻挡体来单独和同时限制每一个极性流体的前进。如图13C和13D中具体显示的，拉普拉斯阻挡体允许两个或更多极性流体24、40 定位为紧邻而不会融合。拉普拉斯阻挡体提供了一种手段，借助该手段，通道28内的一个以上的极性流体24、40 (图1Α)可被稳定，而不会出现融合储液器332、334中的其他极性流体40、24 (图1Α)的风险。所述拉普拉斯阻挡体在稳定具有可视区域的通道28中的极性流体的同时还实现了上述功能，其中所述可视区域即为所覆盖的剖面区域，并且该区域大于 极性流体24、40 (图1A)在没有拉普拉斯阻挡体的常规设备中占用的水平呈圆形的几何形 状。通过有效使用设备330中的可视空间，降低了显示器在反射显示应用中的所有非反射 部分的视觉对比度。
参考图13A-13D并且根据本发明的一个实施例，在图12A的电流体设备中添加分 裂电极340、342。所示出的第一和第二极性流体24、40具有至少一个不同的光学属性。该 分裂电极340、342提供了与针对图6A所描述的功能相类似的功能。在将极性流体24定位 在通道28内的时候，处于通道28内的分隔器32将会确保每一个极性流体始终保持稳定并 且与分裂电极340、342之一相邻，以使极性流体24、40可以返回到各自的储液器332、334。 分隔器32还稳定通道28内的不同极性流体24、40，以使分裂电极340、342可以将极性流体 24,40之一分成处于通道28和储液器332、334内的两个容量。这种将极性流体24、40分成 两个不同的较小的容量的机制相对于其中容量必须相似或相等的常规的芯片实验室电润 湿设备中的分裂具有优势。拉普拉斯阻挡体允许极性流体24、40的所分裂的容量是不同且 可重复的。
进一步参考图13A-D，通过使用针对图1A-12B描述的原理，逐步示出用于操作设 备330的视频和双稳态模式。
在视频模式期间，分裂电极340、342将被偏压，以使得至少一个极性流体24、40可 以驻留在通道28内且处于分裂电极340、342附近。结果，如参考图6A-6D所述，极性流体 24,40之一可以在通道28与各个储液器332、334之间以视频速度(即IOHz)移动。
在双稳态模式期间，使用恰当的电压或无电压来将分裂电极340、342偏压，由此， 处于通道28内的极性流体24、40之一或是这二者会从各自储液器332、334内的量中分离。 结果，在没有电压施加于设备330中的任一电极的情况下，极性流体24、40在通道28中的 位置保持稳定。实际上，在包含两个或更多具有结构与设备330相似的像素的显示设备中， 使用附接于所有分裂电极340、342的单个电压源，可以在视频与双稳态模式之间切换显/Jn ο
虽然在图13A-13D中没有显示，但是一旦在通道28内稳定了极性流体24、40之一 或是这二者，则可以使用与如上所述的原理相类似的原理来移动极性流体24、40。存在这里 给出的不同设备和实施例的多个组合，并且本发明并不局限于特定附图示出的功能。
在参考图6A、12A和13A描述的设备中还可以实施无源矩阵驱动方案。虽然该描 述特别针对的是图6A的设备206，但是针对图12A和13A的设备的330的原理的实施方式 也是很容易理解的。
假设显示器包含图6A所描述的设备206的阵列，其中每一个设备206位于行和列 电极矩阵的交叉点。每一个设备206形成一个像素、分段、子像素或是其他视觉有用的特 征。在第一无源矩阵驱动方案中，分裂电极216是行电极；上部电极218是列电极，而下部电 极214则由所有像素共享。下部电极214可以提供有允许极性流体24前进至通道28或是 退回到储液器212的电压。极性流体24还提供有所有设备206的公共电连接，以便将设备 206电接地以及防止电压与极性流体24电容耦合。结果，使用行电极216来连接通道210 和储液器212中的极性流体24，以及使用列电极218来控制极性流体70是否移入通道210 或储液器212，可以每次将设备206定址在一个行上。附加的驱动方案也是可行的，并且可以使用电极214、216、218中的任何一个以及可以使用以电容或导电方式连接至极性流体 24的附加列电极(未显示)来创建首先允许将极性流体24移入通道210的无源矩阵框架， 其后允许将极性流体24移入储液器212的替换框架。用于本发明的众多无源矩阵驱动方案都是可行的，这些方案可以通过使用拉普拉斯阻挡体、分裂电极216以及每一个设备206 上的两个或更多电极来实现。参考图14A-16B，示出根据本发明另一个实施例的单个像素360，其中所述像素可以与附加像素结合而形成大的像素阵列，即显示设备。每一个像素360由有源矩阵定址技术驱动，但是为了简单起见，在这里仅仅显示单个像素360。像素360具有在第一与第二基底12、16之间(在剖面图中并未显示第二基底16)形成的四个通道区域362a、362b、362c、 362d (统称为362η)，其中第一基底12包括由概括性地被显示成电压源365的电压源驱动的四个独立电极364a、364b、364c、364d (统称为364η)。容易了解的是，虽然仅仅显示四个通道区域362η以及四个电极364η，但是在通道中仅有一个或是四个以上的电极的任何数量的通道区域都是可行的。
如图14Α和14Β所示，每一个通道区域362η包括储液器366a、366b、366c、366d(统称为366η)，并且每一个储液器包含不同的极性流体368a、368b、368c、368d，以及其中通道区域362η的容量由非极性流体370填充。像素360的外部周边372具有形成拉普拉斯阻挡体的一系列分隔器374。这个外部周边372的用途是在相应极性流体368η从储液器366η 移至通道区域362η时允许非极性流体370受控地返回储液器366η。
图14Β、15Β和16Β示出像素360的一部分、尤其是一个通道区域362b的更进一步的细节。如所示，管道376以流体方式耦合到储液器366b以及通道区域362b。该管道376 在几何结构上部分或者全部在与储液器366b —样深，但是其具有小于储液器366b的几何形状，由此拉普拉斯压力将会阻止极性流体368b润湿管道376。由此，管道376提供一个通道，通过该通道，非极性流体370能够容易进入储液器366b。如果储液器366b是对称的 (例如具有圆形的形状)并且由通道区域362b围绕，那么管道376打破储液器366b的对称性，否则极性流体368b会在受到电动机械力的情况下尝试沿着所有径向离开储液器366b。 由于非极性流体370没有其他进入储液器366b的方式，因此还可以将极性流体368b限制在储液器366b的内。
图14B、15B和16B的放大视图最佳显示流体移动的非限制性顺序。虽然仅仅显示了像素360的一个通道区域362b来描述流体移动的顺序，但是应该理解，在其他通道区域 362a、362b、362c、362d中也可以使用了类似的结构和流体移动。在图15B中，极性流体368b 从储液器366b前进至通道362b。用作另一个拉普拉斯阻挡体的放大的分隔器378被定位成防止极性流体368移经通道区域362b中被分隔器378覆盖的部分。
将电压施加于电极380、382、364b，以创建将极性流体368b从储液器366b拖入通道区域362b的电动机械力。
然后，极性流体368b必须被分裂，以使得在通道区域362b与储液器366b之间没有连续的极性流体连接，否则，在去除电压时，则极性流体368b将会借助拉普拉斯压力退回到储液器366b。如图16B中最佳显示的那样，从第二电极382上去除电压，由此导致非极性流体370如箭头384所示前进到通道区域362b中并且覆盖第二电极382。这有效地将极性流体368b分成了两个容量处于通道区域362b的第一容量以及处于储液器366b的第二容量。然后，由于分隔器374将极性流体369b限制在通道区域362b内，因此可以从电极 364b上去除电压。通过向电极380、382施加电压，极性流体368b可以返回到储液器366b ； 然而，施加给电极364b的电压应该足够高，以促进处于通道区域362b内与处于储液器366b 内的极性流体368b之间的接触，但是所述电压还应该足够低，以使杨氏拉普拉斯压力将极性流体368b从通道区域362b驱动到储液器366b。作为替换，虽然没有特别显示，但是第一电极380中与储液器366b相邻的一部分可被去除并用亲水表面替换。由此，这个亲水表面始终会被极性流体368b润湿。作为替换，电极380、382可以是交错结合的，或者可以被放置在不同的基底(例如第一和第二基底12、16上，以使其可以机电地影响极性流体368b。作为替换，如参考图6A所述，电极380中与储液器366b相邻的部分可以被分裂电极138 (图 1A)取代，并且由此使用与针对图6A和13A描述的功能相似的功能。
在图15A中，极性流体368b仅仅浸润电极364b上方的通道区域362b。此时，极性流体368b可以移至相邻通道区域362a、362b，并且作为替换或补充，通过将电压同时施加于相应电极364a、364c、364d以及与每一个储液器366b相关联的第二电极382 (图15B), 可以拖曳所述极性流体覆盖所有通道区域362η。
如图16Α和16Β所示，两个极性流体368a、368c可以填充相邻通道区域362a、 362b,362c而没有结合的风险。因此，在单个像素360中可以提供多种颜色组合，而没有与滤色器相关联的亮度和色饱和度损失。
对于像素阵列来说，围绕每一个像素的拉普拉斯阻挡体可以由围绕管道取代，尽管在这里并未具体显示此。在替换实施例中，多个像素可以以彼此相邻的方式放置，以便共享相邻的储液器，这可以简化极性流体的剂量或降低用于所构造的显示器的驱动电路的 复杂度。
对于图14A-16B显示的实施例来说，为了消除流体流动的影响以及在将像素设置在一维或二维阵列中时的相邻像素360之间的压力，提供边界阻挡体386。
参考图17A-17J，根据本发明的另一个实施例，示出具有较薄轮廓的电流体设备 400，并且包括第一基底12，其中在所述第一基底上具有第一电极402以及电介质404。在这里被显示成一系列分隔器402的第一拉普拉斯阻挡体以光刻方式图案化在电介质404上。 作为示例，每一个分隔器32的厚度或高度可以是4μπι。此外，还使用光刻法形成不是拉普拉斯阻挡体的分隔器，并且该分隔器被标记成386。在分隔器32上应用分隔层406，并且如下所述，该分隔层包括被配置成允许流体在设备400内流动或传播的第一两个管道408a、 408b。所述分隔层406并不是中间基底，而是直接在第一基底12上形成，并且由此密切地属于或校准到第一基底12。所述分隔层406还可以作为类似DuPont Per-MX的层压光刻胶来应用。这形成用于保持极性流体24的储液器410。在添加第二基底16时，在第二基底 16与分隔层406之间会形成通道412。通道412和储液器410在特征方面是相似的，并且在适当的位置可以互换。相应地，管道408a、408b在通道412与储液器410之间提供流体通路。包含独立制造中间基底以及随后将中间基底与另一个基底相结合的常规构造，由于对准问题以及薄聚合物膜变形问题，而对制造业造成过高的挑战。
如所示，第二基底16包括第二电极414。如先前详细描述地，第一和第二电极402、 414全都包含电介质层404。
第三基底416可以是用具有反射属性的材料构造或包含作为涂层的具有反射属性的材料，所述第三基底由优选基于光刻的方法在疏水层406上制造。
第一和第二基底12、16还可以包括边界阻挡体386，其中所述阻挡体构造为固态 阻挡体或拉普拉斯阻挡体，以定义显示设备的各个像素。
第二基底16、第二电极414以及电介质404层压在用透明材料构造的边界阻挡体 386上。在施加第二基底16之前，与第一极性流体24或非极性流体26具有流体接触的大 多数表面包含先前描述的疏水涂层，但是为了简单起见，在这里并未特别对此进行图示。在 一些实施例中，疏水涂层没有将第三电极416与极性流体24电绝缘。由此，疏水涂层可以 足够薄，以便允许极性流体24与第三电极416之间导电。
设备400内且与第二电极414相邻的流体空间，即通道412基本上可以从视点311 看到，而与第一电极402相邻的空间，即储液器410基本上对视点311是隐藏的。储液器 410和通道412包含极性流体24和非极性流体26。
设备400外部的光源430允许借助与第三电极416相关联的反射属性来观察流体 空间内的极性流体24。相应地，光从光源430进入设备400并且经过第二基底16的可视区 域。所述光穿越通道412内的流体(极性流体24或非极性流体26)并且在第三电极416上 被反射。当光穿越流体时，所述光的至少一个频谱属性会经历变化，其中极性流体24和非 极性流体26以不同的方式改变光的频谱属性。举例来说，频谱属性可以包括波长、散射、极 化、反射、吸收、折射或其他已知属性。
第一电压源418和第二电压源420与三个电极402、414、416相连，其中两个电压 源418、420都通过第三电极416而与极性流体24具有公共连接。电压源418、420能够在第 一位置或第一显示状态到第二位置或第二显示状态之间移动极性流体，其中在第一显示状 态中，极性流体24主要驻留在储液器410内，并且由此大不被看见的，在第二显示状态中， 极性流体24主要驻留在通道412内，并且由此在很大程度上是可以看到的。所谓的“灰度” 这样的中间位置同样是可能出现的，其中极性流体24的仅仅一部分是可以被看到的。
参考图17A和17B，示出在第一和第二电压源418、420上施加负电压或零电压的情 形的第一垂直曲率半径422和第二初始曲率半径424。由于在极性流体24接触的大多数 区域中设置了疏水涂层，并且由于储液器410和通道412的高度被设计成近似相等，因此， 曲率半径422和424近似相等。还为图18B的顶视图示出影响力较小的曲率半径426，但 是如先前所述，与明显较小的第一和第二曲率半径422和424相比，曲率半径426的重要性 相对较低。在这个配置中，极性流体24在具有以下条件的情况下稳定由于曲率半径422 和423不会完全相同(主要是因为通道412与储液器410之间的高度变化)，因此必须存在 某个力来进一步对抗处于均衡状态的极性流体活动。在一个实施例中，为了对抗流体活动， 需要拉普拉斯阻挡体。在这个实施例中，拉普拉斯阻挡体可以通过接触角滞后来提供，其中 所述滞后会在多个位置稳定极性流体24。接触角滞后可以是疏水涂层22 (图1A)的固有 属性，例如疏水涂层的纹理表面，它可以归因于电荷注入，或者可以通过电润湿领域的技术 人员知道的其他手段来完成。
包含在图17A的设备中使用的接触角滞后的拉普拉斯阻挡体在数学上可以定义 如下。通道412或储液器410中的拉普拉斯压力之间的差别必须小于接触角滞后所导致的 滞后压力。可以通过在计算拉普拉斯压力的过程中用与参量余弦相除的高度来替换通道 412或储液器310的高度而计算该滞后压力(杨氏角会减小接触角滞后)。
然而，如下所述，接触角滞后并未提供灰度重置能力。结果，分隔器32形成一行拉 普拉斯阻挡体，并且将会提供如针对本发明的其他实施例描述的灰度重置状态。
参考图17C和17D，两个电压源418、420都供应了相似的电压，并且由此施加了相 似的电动机械力，以减小极性流体24在通道412或储液器410的一个侧面上的表观接触 角。虽然同时增加曲率半径424、426，但是半径424、426同等增加，并且不会发生极性流体 24的位移。
参考图17E-17H，电压源418、420中仅有一个供应电压，或者作为替换供应幅度或 持续时间改变的电压，由此，净压力428导致极性流体24沿着净压力428的方向移动。极 性流体24可以填充或清空储液器410，或者可以被移动到储液器410和/或通道412内的 中间位置。虽然没有显示，但是附加电极和电介质可被添加到与疏水层406相邻，以提高净 压力428。由于接触角滞后，在去除电压时，则极性流体24在给定位置保持稳定。
如图171和17J所示，极性流体24被前进至分隔器32，但是不会超越该分隔器。 然后，可以去除电压，以创建极性流体24的双稳态定位。图17J的视图是储液器410的视 图，其不同于是通道412的视图的图17B、17D、17F和17H中的视图。
结果，设备400被显示成按需提供视频或是不同灰度状态之间的快速切换，而不 会具有显著或缓慢的“闪烁”。例如，常规的电泳显示器必须在图像更新之间将像素重置到 完全白色或黑色外观，否则，处于常规设备内的切换色素中的小误差将会累积到不可接受 的水平。可以解决这个问题的唯一手段是在中间位置创建灰度重置状态。对于图171的设 备400来说，如果设备或像素处于最大反射率的40%，并且需要具有最大反射率的50%的灰 度重置，那么在切换到45%的灰度状态之前，像素首先会被重置到50%的状态。这在光学上 只有10%的差别，并且在净流体移动具有15%的差别，由此极大减少了屏幕上的任何“闪烁” 外观以及所需要的切换时间。
虽然没有显示，但在储液器410或通道412之一或是这二者的内可以采用与针对 其他实施例描述的方式相类似的方式来添加附加的拉普拉斯阻挡体。附加的拉普拉斯阻挡 体将允许以不同的几何形状来显示极性流体24，例如正方形或矩形。此外，设备400可以包 括如先前所述的第二极性流体40 (图1D)，由此可以在拉普拉斯阻挡体的任一侧显示两个 极性流体24、40，而不会出现融合和颜色融合的风险。设备400的特征可以与为本发明的其 他附图和实施例描述的特征和性能相结合。
参考图18A-18D，并且根据本发明的实施例，提供一个具有开放单元(open cell) 架构的设备450。一般来说，设备450与图17A的设备400相似，但是管道452提供在包含 像素和计数器的设备中心，并且流体流动实现在设备450的边缘453。此外，第一电极402 在与管道452对准的位置被分开，并且第二电极454是在其间形成的空间内形成的。第一 和第二电极402、454由第一电压源456驱动；第三和第二电极414、454由第二电压源458 驱动。
与图17A的设备400相比，由于极性流体24只需要在设备中移动大约一半的距 离，因此，该替换实施例的几何对称性可以提升设备450的切换速度。一个附加的方面是使 用气体作为非极性流体24来执行操作的能力。与如油这样的液态流体相比，气体的粘度低 很多，并且有可能将切换速率有效提升两倍或多倍。
现在特别参考图18C和18D，与使用油作为非极性流体26的实施例相比，当使用气体时，用于极性流体24的杨氏角将会大大减小。然而，操作原理保持不变。分隔器32和边界阻挡体386仅仅占用设备450的周边的小部分。如果分隔器32或边界阻挡体386占用设备350的显著区域，那么在极性流体24再次润湿这些拉普拉斯阻挡体时，这难以去润湿极性流体24。将极性流体24与拉普拉斯阻挡体之间的接触面积最小化确保了极性流体24 保持单个容量，由此维持设备450的最大观看对比度。虽然没有显示，但是也可以使用第二非极性流体，并且在该示例中，第一非极性流体可以是气体，第二非极性流体可以是紧挨着拉普拉斯阻挡体提供的少量附加的油，以有助于从拉普拉斯阻挡体去润湿极性流体24。
现在转到图19A和19B并且根据本发明的实施例，拉普拉斯阻挡体可以用于在单个设备中显示三种或更多有色流体，而不会混合或融合这些有色流体。具有有色的油的常规的电润湿设备缺少这一能力，因为所述油会将痕量遗留在大多数表面上，这最终会导致混合。具有电泳色素的常规的油可以提供两种有色色素，但是所述油本身必须是透明的，由此最多只能实现两种颜色。
例如,示例性设备470允许使用染料以及两种或更多的有色极性流体来使用黑色的非极性流体，其中所述极性流体包含着色剂，例如散布的色素。这种能力使得具有用于显示的新的颜色空间机会，并且能够实现大约是常规技术两倍的反射性能以及颜色饱和度。 设备470被显示成具有以与图13A的设备330相类似的方式构造的三个像素472a、472b、 472c(统称为472η)。每一个像素472η都包含黑色的非极性流体478以及具有颜色互补的不同着色剂的两个极性流体480η、482η。用于红色、绿色、蓝色、蓝绿色、品红色、黄色、白色、 黑色的缩略语分别是RGBCMYWK。特定原色(即RBY)的互补颜色是不包含特定原色的颜色， 也就是说，由于蓝绿色是蓝色和黄色的混合物且不包含红色，因此蓝绿色与红色是互补的。 所示出的设备470包括下列像素472a包含具有红色着色剂(R)的极性流体480a和具有蓝绿色着色剂(C)的极性流体482a ;像素472b包含具有绿色着色剂(G)的极性流体480b 和具有品红色着色剂(M)的极性流体482b ；以及像素472c包含具有蓝色着色剂(B)的极性流体480c和具有黄色着色剂(Y)的极性流体482c。
使用设备470，可以计算出使用双原色系统的像素性能。在对每一个像素472η中使用两种或更多有色极性流体480、482的影响进行计算之前，首先必须计算原始像素性能。在像素面积大小为340 μ mxl5 μ m或是大约39，000 μ m2的情况下，Al电极和分隔器图案化的分辨率限制是5 μ m，储液器图案化处理的分辨率限制约为20 μ m,并且Al电介质314 (图3A)由分辨率提高3%的材料覆盖，其结果在表I中示出。每一个像素具有两个储液器 332n、334n并且具有8行拉普拉斯阻挡体(被显示成分隔器32)的原始像素性能具有77%的净反射率。假设储液器332η 334η、分隔器32以及像素周边全都被在光学上呈黑色的材料所遮蔽，那么产生反射的总的区域是75%。更进一步，应该注意，如果使用脊部202 (图OT) 并且所述脊部比通道高度短，那么脊部202 (图5D)仍旧用作拉普拉斯阻挡体，并且可以消除与分隔器32相关联的10%的饱和度损失。
表I
权利要求
1.一种显示像素，包括 第一极性流体； 非极性流体； 第一基底； 第二基底，相对于所述第一基底设置以限定出包含所述第一极性流体和所述非极性流体的疏水通道，其中通过所述第一基底或所述第二基底中的至少一个可看见所述第一极性流体或所述非极性流体中的至少一个； 所述第一基底上的第一电极； 所述第一基底与所述第一极性流体之间的电介质层； 所述疏水通道内的第一拉普拉斯阻挡体，所述第一拉普拉斯阻挡体限定出对所述第一极性流体在所述疏水通道内的移动开放的流体通路；以及 与所述第一电极电连接的第一电压源，所述第一电压源配置为对所述第一电极进行电偏置，以使所述第一极性流体在所述疏水通道内相对于所述第一拉普拉斯阻挡体移动， 其中，当所述第一电极由所述第一电压源以小于或等于阈值电压的第一电压进行偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内移动到第一位置以提供第一显示状态，以及当所述第一电极由所述第一电压源以大于所述阈值电压的第二电压进行偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内从所述第一位置移动到第二位置以提供第二显示状态。
2.根据权利要求1所述的显示像素，其中，当以所述第一电压对所述第一电极进行偏置时，所述第一拉普拉斯阻挡体将所述第一极性流体限制在所述第一位置。
3.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括在所述第一基底与第二基底之间延伸的多个疏水分隔器，并且所述多个疏水分隔器设置为具有足以使所述第一极性流体的弯液面具有一曲率半径的间隔。
4.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括突出进入所述疏水通道的至少一个突起部分，并且所述至少一个突起部分使所述第一极性流体的弯液面具有一曲率半径。
5.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括一个或多个疏水分隔器，所述一个或多个疏水分隔器将所述流体通路划分成多个开口，其中每一个开口至少部分由处于所述第二位置的所述第一极性流体占据。
6.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体由暴露表面限制，并且当所述第一极性流体处于所述第二位置并且所述第一电极未被偏置时，所述第一极性流体围绕所述第一拉普拉斯阻挡体的所述暴露表面。
7.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一电压对所述第一极性流体提供电动机械力，所述电动机械力足以通过克服所述第一极性流体内与所述移动相反方向上的拉普拉斯压力而将所述第一极性流体移动到所述第一位置。
8.根据权利要求7所述的显示像素，其中，当去除所述第二电压时，所述拉普拉斯压力使所述第一极性流体从所述第二位置退回。
9.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第二电压对所述第一极性流体提供电动机械力，所述电动机械力足以通过克服拉普拉斯压力以及由第一拉普拉斯阻挡体对所述第一极性流体给出的限制而继续将所述第一极性流体移动到所述第二位置。
10.根据权利要求9所述的显示像素，其中，当所述第一极性流体处于所述第二位置时，所述第一极性流体经受到与所述疏水通道相关的力并且不受其他限制。
11.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 所述疏水通道内的第二极性流体，所述第二极性流体具有至少一个与所述第一极性流体的光频谱属性不同的光频谱属性，并且当以所述第一电压对所述第一电极进行偏置时，所述第一拉普拉斯阻挡体位于所述第一极性流体与所述第二极性流体之间。
12.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 第一储液器，与所述疏水通道流体耦合，并且配置为在与所述第一极性流体从所述第一位置到所述第二位置的的所述移动相反的方向上将拉普拉斯压力施加在所述第一极性流体上。
13.根据权利要求12所述的显示像素，其中，所述第一储液器在所述第一极性流体处于所述第一储液器内时使所述第一极性流体具有的曲率半径大于所述第一极性流体处于所述疏水通道内具有的曲率半径。
14.根据权利要求12所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第二储液器，使得所述疏水通道在所述第一储液器与所述第二储液器之间延伸；以及 处于所述疏水通道、所述第二储液器或其组合内的第二极性流体，所述第二极性流体具有至少一个与所述第一极性流体的光频谱属性不同的光频谱属性。
15.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第一储液器；以及 由具有反射属性的材料构成的第二电极， 其中，所述第二电极位于所述第一储液器与所述疏水通道之间，并且与所述第一极性流体电I禹合。
16.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第一储液器； 位于所述第一储液器与所述疏水通道之间的第二电极；以及 位于所述第二电极与所述第一极性流体之间的第二电介质层。
17.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 第二电极；以及 与所述第二电极电连接的第二电压源，其中当所述第二电极由所述第二电压源以第一电压偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内被划分为在所述第二电极的相对侧的两个容量，当所述第二电极由所述第二电压源以第二电压偏置时，所述第一极性流体的所述两个容量被移动到所述第二电极上并结合，第二电极上的第二电压大于第二电极上的第一电压。
18.根据权利要求17所述的显示像素，还包括 储液器，与所述疏水通道流体耦合并且配置为在与从所述储液器到所述疏水通道相反的方向上在所述第一极性流体上施加拉普拉斯压力，所述第二电极位于所述疏水通道中并与所述储液器相邻，以使得仅在所述第二电压源以产生出克服所述拉普拉斯压力的电动机械压力的电压进行偏置时，所述储液器中的所述第一极性流体才移动进入所述疏水通道中， 其中，在未以电压对所述第二电极进行偏置或者以所述第一电压对所述第二电极进行偏置时，所述第一极性流体分为位于所述疏水通道中的第一容量以及跨越所述储液器的第二容量，其中所述第一容量和所述第二容量由所述第二电极分开。
19.根据权利要求18所述的显示像素，还包括 第二拉普拉斯阻挡体，其中所述第二拉普拉斯阻挡体位于所述疏水通道中并与所述第二电极相邻。
20.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 包含非黑色着色剂的第二极性流体， 其中，所述非极性流体包括黑色着色剂，并且所述第一极性流体包括对于所述第二极性流体的所述非黑色着色剂是互补颜色的着色剂。
21.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 设置为与所述第一电极交叉的第二电极；以及 与所述第二电极电连接的第二电压源， 其中，所述第二电压源配置为供应与所偏置的第一电极协作的第三电压，以将所述第一极性流体移动到所述第一位置或所述第二位置。
22.—种显示设备，包括根据权利要求1所述的多个电流体显示像素。
23.根据权利要求22的显示设备，还包括 处于两个或更多电流体显示像素中的每一个中的第二极性流体； 所述多个电流体显示像素中的第一电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括红色着色剂并且所述第二极性流体包括蓝绿色着色剂； 所述多个电流体显示像素中的第二电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括品红色着色剂并且所述第二极性流体包括绿色着色剂；以及 所述多个电流体显示像素中的第三电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括黄色着色剂并且所述第二极性流体包括蓝色着色剂。
24.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体根据接触角滞后原理进行操作。
25.根据权利要求24所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第一储液器，其中所述第一拉普拉斯阻挡体能够用于产生滞后压力，所述滞后压力大于所述第一极性流体在所述疏水通道中的拉普拉斯压力与所述第一极性流体在所述第一储液器中的拉普拉斯压力之间的差值。
26.—种制造显示像素的方法，所述方法包括 通过光刻在第一基底上的光刻胶层中图案化分隔器层； 在所述分隔器层和所述第一基底上层压分离层，其中所述分离层是干膜光刻胶； 通过光刻图案化所述分离层，以形成储液器以及与所述储液器耦合的流体通孔；以及将第二基底定位在所述第一基底的所述分离层上，以在所述分离层与所述第二基底之间形成疏水通道。
27.一种操作显示像素的方法，所述方法包括 在电流体像素内将第一极性流体移动到第一位置，以及在所述电流体像素内使非极性流体产生位移来提供第一显示状态； 在所述电流体像素内将所述第一极性流体从所述第一位置移动到第二位置，以及进一步在所述电流体像素内使所述非极性流体产生位移来提供第二显示状态；以及 通过第一拉普拉斯阻挡体将所述第一极性流体限制在所述第一位置，以保持所述第一显示状态。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，移动步骤还包括偏置与所述第一极性流体电耦合的电极。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括 将第二极性流体移动到所述第一拉普拉斯阻挡体，以使得所述拉普拉斯阻挡体处于所述电流体像素内的所述第一极性流体与所述第二极性流体之间。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述电流体像素包括第二拉普拉斯阻挡体，所述方法还包括 将所述第一极性流体移动到在所述第一拉普拉斯阻挡体与所述第二拉普拉斯阻挡体之间的第三位置； 使所述第一极性流体前进至所述第二拉普拉斯阻挡体；以及 将所述第一极性流体移动到第四位置。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述第一极性流体的所述移动不受所述第一拉普拉斯阻挡体限制。
32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第一极性流体位于储液器内，所述方法还包括 从所述储液器中移出所述第一极性流体并使其进入所述电流体像素。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述电流体像素包括与所述储液器流体耦合的疏水通道以及位于所述储液器与所述疏水通道之间的第二电极，所述方法还包括 以产生电动机械压力的电压对所述第二电极进行偏置，以从所述储液器中移出所述第一极性流体并使其进入所述电流体像素。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，第二拉普拉斯阻挡体位于所述疏水通道内并且与所述第二电极相邻。
35.根据权利要求27所述的方法，其中，第二电极位于所述电流体像素内，并且电压源耦合至所述第二电极，所述方法还包括 当由所述电压源以第一电压对所述第二电极进行偏置时，将所述第一极性流体划分为处于所述第二电极的相对侧的两个容量；以及 当由所述电压源以第二电压对所述第二电极进行偏置时，重新聚合所述第一极性流体的所述两个容量， 其中，所述第一电压小于所述第二电压。
36.根据权利要求27所述的方法，还包括 将所述第一极性流体划分为第一和第二容量，其中所述第一和第二容量中的至少一个处于所述电流体像素内且与所述第一拉普拉斯阻挡体相邻。
全文摘要
电流体和电润湿显示像素、电流体和电润湿显示器以及操作电流体和电润湿显示像素的方法。所述像素包括形成在第一与第二基底之间并且包含了极性流体和非极性流体的疏水通道，其中极性流体和非极性流体中的至少一个通过至少一个基底可看到。具有电介质的电极电耦合到电压源。拉普拉斯阻挡体限定出用于流体在通道中的移动的流体通路。当电压源以小于或等于阈值电压的第一电压偏置时，极性流体移动到第一位置，以提供第一显示状态。当电压源以大于第一电压的第二电压偏置时，极性流体移动到第二位置，以提供第二显示状态。
文档编号G02F1/153GK103026294SQ201080045115
公开日2013年4月3日 申请日期2010年8月13日 优先权日2009年8月14日
发明者J·海肯菲尔德, E·科莱特, 杨澍 申请人:辛辛那提大学
显示像素、显示器以及操作显示像素的方法
关于联邦资助的研究或开发的声明
美国政府对本发明具有付费许可，并且在有限环境中具有要求专利所有者基于合 理的条件向其他人提供许可的权利，其中所述合理的条件是依照国家科学基金会授予的许 可0729250以及国家科学基金会授予的许可0640964中的条款规定的。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2009年8月14日提交的美国临时申请61/234，070、2009年8月 14日提交的美国临时申请61/234，099、2010年2月24日提交的美国临时申请61/307，637 以及2010年2月25日提交的美国临时申请61/308，105的权益。本申请涉及题为 “ELECTROWETTING AND ELECTROFLUIDIC DEVICES WITH LAPLACE BARRIERS AND RELATED METHODS”且与本申请同一天提交的国际专利申请(律师案卷号U0C-218W0)。这其中的每一 个申请公开在这里都被引入作为参考。
背景技术：
本发明涉及电流体(electrof Iuidic)和电润湿显示像素、电流体和电润湿显示器 以及操作电流体和电润湿显示像素的方法。
对很多光学应用来说，电润湿是很有吸引力的调制方案。例如，电润湿已经用于为 光纤、相机或制导系统的光闸或滤光器、光学拾取设备、光波导材料以及视频显示像素提供 光开关。此外，电润湿还主要以数字液滴驱动流的形式应用于芯片实验室设备。
尽管存在大量商业应用以及很多正在进行研究，但是几乎所有基于电润湿的常规 设备都需要恒定地施加电压，以便将极性流体保持在特定几何形状。这些设备并不是“双稳 态的”，也就是说，在去除电压时，流体会沿着所有不受限制的流体表面自由返回到球面几 何形状。
所需要的是与彩色极性流体的几何形状的更先进控制以及用于显示应用的流相 适应的先进的电润湿或电流体显示技术。发明内容
根据本发明的一个说明性实施例,显示像素包括极性流体和非极性流体。该极性 流体和非极性流体占据形成在第一与第二基底之间的疏水通道。极性流体和非极性流体中 的至少一个通过第一和第二基底中的至少一个可看到。具有将电极与流体分离的电介质层 的电极电连接到电压源。所述电极及电介质层的设置可以使第一极性流体在疏水通道内前 进或移动。疏水通道内的拉普拉斯阻挡体(Laplace barrier)限定出对极性流体的前进开 放的流体通路。通过以小于或等于阈值电压的第一电压偏置电压源，极性流体移动至疏水 通道内的第一位置。所述第一位置提供第一显不状态。然后，在以大于第一电压的第二电 压偏置电压源时，极性流体移动到疏水通道内的第二位置。所述第二位置提供与第一显示 状态显著不同的第二显示状态。
在以第一电压偏置电极时，拉普拉斯阻挡体可以将极性流体限制在第一位置。所述拉普拉斯阻挡体依靠拉普拉斯压力操作。
在另一个实施例中，提供一种制造显示像素的方法。该方法包括通过光刻在第一 基底上的光刻胶层中图案化分隔器层。在所述分隔器层与第一基底上层叠分离层，其中分 离层是干膜光刻胶。该方法还包括通过光刻图案化分离层，以形成储液器以及与该储液器 耦合的流体通孔(Via)。第二基底被定位在第一基底的分离层上，以在分离层与第二基底之 间形成疏水通道。
在另一个实施例中，提供一种操作显示像素的方法。该方法包括在电流体像素内 将极性流体移动至第一位置，以及在电流体像素内使非极性流体产生位移，以提供第一显 示状态。该方法还包括在电流体像素内将极性流体从第一位置移动至第二位置，以及在电 流体像素内使非极性流体产生位移，以提供第二显示状态。极性流体被拉普拉斯阻挡体限 制在第一位置，以保持第一显示状态。
本发明的实施例提供一种适应于更先进地控制彩色极性流体的几何形状以及用 于显示应用的流动的先进的电润湿或电流体显示技术。这种改进的控制和流动显著改善了 显示性能。
在这里引入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且其连同上 文给出的关于本发明的一般描述以及下文给出的细节描述一起用于说明本发明的原理。
图1A是依照本发明一个实施例的设备的剖面示意图。
图1B是图1A所示的设备的一部分的透视图。
图1C是图1A所示的设备的顶视图。
图1D是包含第二极性流体的图1的设备的替换实施例的顶视图。
图1E是包含两个极性流体的常规设备的顶视图。
图2A是根据本发明一个实施例的与图1A相似的设备的剖面示意图，但是该图针 对的是施加推进第一极性流体的电压。
图2B是图2A所示的设备的一部分的透视图。
图2C是图2A所示的设备的顶视图。
图3A是与图2A相似的设备的剖面示意图，但是该图针对的是施加进一步推进流 体的第二电压。
图3B是图3A所示的设备的一部分的透视图。
图3C是图3A所示的设备的顶视图。
图4A、4C和4E是根据本发明另一个实施例的设备的剖面示意图。
图4B、4D和4F分别是图4A、4C和4E所示的设备的顶视图。
图5A- 是根据本发明附加实施例的设备的示意图。
图6A-6D是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的剖 面示意图。
图7A是根据本发明另一个实施例的具有无源矩阵电极的设备的剖面示意图。
图7B是图7A所示设备的顶视图。
图8A是根据本发明另一个实施例的具有有源矩阵电极的设备的剖面示意图。
图8B是图8A所示设备的顶视图。
图9是根据本发明另一个实施例的设备的顶视图。
图10A、11A和12A是根据本发明不同实施例的设备的剖面示意图。
图10BU1B和12B分别是图10AU1A和12A所示设备的顶视图。
图13A和13C是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的 剖面示意图。
图13B和13D分别是图13A和13C所示设备的顶视图。
图14A、15A和16A是根据本发明另一个实施例的四色设备的顶视图。
图14B、15B和16B分别是图14A、15A和16A所示设备的一部分的放大顶视图。
图17A、17C、17E、17G和171是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例 的连续步骤的剖面示意图。
图17B、17D、17F、17H和17J分别是图17A、17C、17E、17G和171所示设备的顶视图。
图18A和18C是示出操作根据本发明另一个实施例的设备的实施例的连续步骤的 剖面示意图。
图18B和18D是图18A和18C所示设备的顶视图。
图19A和19B是根据本发明的使用多个彩色流体以及双原色系统的设备的两个实 施例的顶视图。
图20是将常规显示设备的光学性能与本发明的一个或多个实施例相比较的表格 和图表。
图21A-23D是本发明的一个或多个实施例的不同示例中的扫描电子显微镜以及 光学显微镜图像。
具体实施方式
虽然本发明是结合某些实施例而被描述的，但是关于这些实施例的描述旨在覆盖 可能包含在本发明原理内的所有替换、修改及等价布置。特别地，本领域技术人员将会认识 至IJ，这里描述的各种电流体设备的组件可以用多种不同的方式设置。
作用于与电绝缘的电极相邻的导电极性流体的电动机械力(electromechanical force)是本发明至少一个实施例的物理机制的基础。所述电动机械力来自导电极性流体与 将该电极绝缘的电介质之间的接触线路(line)附近。该电动机械力成比例于电容与偏置电 势或所施加电压的平方的乘积。该电动机械力通常取向为它从极性流体的暴露表面朝向外 部被引导。在将极性流体限制在空腔或通道内时，所述电动机械力还可以被解释为单位面 积上的力或压力。该设置提供了高速操作(大约毫秒级)，低功率的电容式操作(大约IOmJ/ m2)以及优良的可逆性。然而，本发明的替换实施例包括微流体领域中普通技术人员公知的 其他流体操控方法。这些替换方法包括但不限于没有绝缘体的电润湿、注射泵、热毛细、诸 如螺砒喃的光响应分子、介电泳、电泳以及微电机泵取。关于这里描述的拉普拉斯阻挡体的 不同实施例将很好地与流体操纵和传输的替换机制一起工作。在一些实施例中，拉普拉斯 阻挡体可被称为局部流体阻挡体或多孔流体阻挡体。
笛卡尔坐标系统将用于定义特定方向和取向。对于“之上”、“上部”、“之下”以及 “下部”之类的术语来说，所提及的这些术语仅是为了便于描述，并且仅代表用于描述特定实施例的一个可能的参照系。基于应用，这里描述的设备的维度覆盖了从纳米到米的大范 围的尺寸。在一些范例中，其中使用诸如可视的术语来描述面朝这里描述的实施例的上表 面的人类或机器视觉系统或其他光源或检测器。若干图示将会包含“侧视图”和“顶视图”， 其中“顶视图”是与基底表面垂直的方向，并且通常是基底的可视表面，在一些范例中是在 设备观看者或观察者的方向。这些顶视图可以是局部设备剖面，以便只显示特定特征子集 的设置，而不应总是将其认为是设备特征的实际顶视图外观。
这里描述的颜色系统和设备同样可用于反射式、透射式以及透射反射式显示器。 因此，光可以通过设备的上表面、下表面或这两个表面来透射或反射。设备可以同时以透射 /反射的双模模式操作，或者按照需要而在这样的操作模式之间切换。常规显示器中使用的 背光或其他光源同样完全兼容这里描述的设备，并且包含在本发明的原理内。
光既可以由位于设备外部的源来提供，例如背光或前光、波导或其他前光，也可以 由波导或其他光学设备来提供，还可以由周围环境，例如阳光或常规灯具来提供。任何耦合 光源的手段都是适用的，包括显示领域的技术人员已知的所有技术。
在这里使用术语“流体”来描述物理状态既不是固体也不是等离子体的任何材料 或材料组合。只要气体根据本发明的原理自由运动，那么该气体也可以被认为是流体。对 于诸如流体粉末之类的固体材料来说，如果该固体材料根据本发明的原理自由运动，那么 也可以将其认为是流体。术语流体并不局限于任何特定组成、粘度或表面张力。只要固体 材料是稳定散布在流体中，那么所述流体还可以包括任何重量百分比的固体材料。流体还 可以包含多种流体、分散剂、树脂、杀菌剂以及在具有苛刻的光学、温度、电子、污染或其他 性能规范的商业流体中使用的其他添加剂的混合物。
极性流体的示例包括水、丙二醇以及乙二醇。非极性流体的示例包括烯烃和硅油。 气体的示例包括氩、二氧化碳以及氮。如果使用包含不同固体微粒或溶解组分的一种以上 的流体，那么如果微粒或组分保持分离，则该流体优选是具有极性的。
非极性流体通常会渗透小缺陷或者位于非极性几何结构上。因此，随着非极性流 体在公共设备区域上的重复运动会发生混合。在一些情况中，极性流体绝不会接触固体表 面。例如在非极性流体在极性流体与固体表面之间形成薄膜的情况中。
这里描述的固体材料用于多个目的。
在很多情况中，色素(pigment)和染料(dye)是可以分散或溶解在流体中以改变 流体的至少一个光学或频谱属性的固体颗粒。
基底可以是玻璃、塑料、金属箔、纸张、或是多种支持这里描述的设备构造的其他 材料。
分隔器(spacer )可以用与构造基底中使用的固体材料相类似的固体材料来制造。 在一些情况中，分隔器可以是基底本身的一部分，例如通过蚀刻、激光处理、微复制或其他 技术来形成这样的分隔器。还可以由光固化的环氧树脂或光刻胶，例如MICROCHEM SU-8或 DUPONT Per-MX来形成分隔器。
只要电极材料提供适当的电传导性，那么电极可以由诸如In2O3: SnO2或 PEDOT:PSS之类的透明固体材料构造，或者可以由诸如铝之类的反射性固体材料构造，或者 还可以由诸如炭黑之类的有色固体材料制成。电压源可以是来自电源或是诸如薄膜晶体管 之类的本地产生的电压或电流源的直流电压源。显示和微流体领域的技术人员所知道的众多直流、交流或其他类型的电压源同样是适用的。
电介质可以包括任何提供适当电绝缘的固体材料，并且举例来说，所述材料可以是诸如氮化硅(SiN)之类的无机物，诸如聚氯代对二甲苯之类的有机物，或是派瑞林F之类的氟化物，上述各项的混合物、分层及组合。电介质厚度的范围可以是从IOnm到10 μ m，由此分别导致产生IV与120V之间的电压。固体表面或膜可以本质上是疏水的，或者例如通过添加薄膜或涂层，通过等离子处理，通过分子单层处理或是其他手段来配备疏水性规则。 诸如CYT0NIX氟化聚合物和ASAHI氟树脂之类的含氟聚合物提供了示例的疏水性。如果使用具有与固体材料相似的表面张力的非极性流体来替换气体，那么对于诸如气体中的水之类的极性流体而言不具有疏水性的附加固体材料仍有可能是疏水的。
通常，在这里使用术语“疏水”来描述大于90°的杨氏(Young’ s)润湿角，并且在这里使用术语“亲水”来描述小于90°的杨氏润湿角。然而，在某些设备或材料配置中，疏水或亲水功能可以扩展到这些限制之外。超级疏水涂层是对于气体中的极性流体呈现出大杨氏角的涂层，并且通过对表面进行几何纹理化来实现。
电压源可以是来自电源或是诸如薄膜晶体管之类的本地产生的电压或电流源的直流电压源。显示和微流体领域的技术人员所知道的众多直流、交流或其他类型的电压源同样是适用的。电压源可以根据需要而被偏置0V、正DC电压、负DC电压或是AC电压等。
反射器材料可以包括金属膜、具有多层电介质且具有不同折射率的层、填充颗粒的聚合物或流体，其中所述颗粒的折射率不同于聚合物或流体、一维或多维光子晶体，或是光学和显示领域的技术人员已知的其他反射器。
散射介质包括具有散布在其中的颗粒的聚合物或流体，其中所述颗粒的折射率不同于所述聚合物或流体，以及结构化的聚合物或金属，微复制的光学设备，或是光学和显示领域的技术人员已知的其他散射特征物。
黑矩阵和滤色器是在反射或透射模式中吸收部分或全部光谱的任何固体或流体材料。
除非另外指出，否则术语凹面和凸面都是指与沿着流体的暴露弯液面的最小曲率半径相关联的几何形状。应该理解的是，弯液面上的其他较大的曲率半径可以是反向凹入的或凸起的，但是其对弯液面的拉普拉斯压力只有较弱的影响。在图中通常并未示出这些附加半径，但是依照其对设备设计和操作的较弱的影响，这些附加半径是很容易理解的。
术语通道或疏水通道被用于描述流体的物理限制，其中所述通道的水平维度要大于其垂直维度，并且在本发明的一些实施例中，所述通道将提供可视地显示流体的手段。通道通常由所制造的图案化基底所特有的一个或多个壁来限定或限制。
术语储液器可以是形成为设备的一部分，或是处于设备的外部的任何特征物，包括可以在液体准备好移入或移出设备之前存储或保持流体的任何特征物。储液器还可以是与附加的设备、腔室或通道相连，或不相连的简单入口 /出口或通孔。
术语导管将用于描述为流体流动提供通路的特征物，并且与储液器相似，所述导管可以集成在设备内，或者在一些情况中也可以处于设备外部。
流体可以使用若干方法之一加入到本发明的设备中。极性流体可以用非极性流体来乳化，然后完成设备之后在物理上、化 学上或光学上将其彼此分离。极性流体可以真空地加入到储液器中、添加非极性流体以及密封设备。非极性流体可以加入储液器、添加极性流体以及密封设备。通过在极性流体与电极之间施加电压，可以将极性流体电润湿到某个区域。关于加入组合的众多替换和组合包含在本发明的原理内。
以上描述提供用于本发明实施例的材料和组件的示例；然而，任一特定实施例的描述意图覆盖光学、显示、微流体、电润湿、电流体、微复制、电子及相关学科领域的技术人员已知的所有替换材料、组件和设置。
现在参考图1A-1D并根据本发明的实施例，示出的电流体设备10包括底部或第一基底12以及处于第一基底上的第一电极14,顶部或第二基底16以及处于第二基底16上的电极18。电极14、18进一步涂有电介质20。电介质20的表面借助疏水涂层22而具有疏水性。极性流体24和非极性流体26处于由两个基底12、16或是在其上制造的层的壁29a、 29b所限制的通道28内。电压源30与两个电极14、18电耦合。
借助电极14、18，电压源30被电绝缘并且与极性流体24电容耦合。如电润湿领域的技术人员所知的，替换的导电和绝缘电极设置同样是可行的。在施加了恰当电压时，极性流体24的接触角将从杨氏角(θγ)减小到电润湿接触角(θν)。该接触角减小归因于由电压施加电润湿效应所产生的电动机械力。
图1A-1C的图示并未示出将在以下结合图4示出和描述的完整设备结构。相反， 图1A-1C的目的仅仅是一般描述控制拉普拉斯阻挡体的基本物理原理。作为第一近似，电润湿效应可以根据下式来预测
cos 0v=(yod-y pd)/ y po+CV2/2 Ypo
其中C是电介质20的单位面积上的电容；Y是极性流体24 (P)、非极性流体26(O)以及电介质20 (d)之间的面间表面张力；以及V是所施加的DC电压或是电压源30施加的AC RMS电压。Θ Y的余弦通过(Y M-Ypd)/Yp。预测。当非极性流体26是油时，诸如水或乙二醇之类的极性流体24可以显现出θγ>160°。0￥可以小至30°到60°。除了微观变化之外，杨氏角在电润湿过程中是不变的。在这里为了图示简单起见，θν是在没有此类考虑的情况下绘制的。
进一步参考图1Α，示出大的杨氏角，并且由此极性流体24的凸面弯液面是明显的。该凸面弯液面具有导致产生依照下式的拉普拉斯压力的曲率半径
Ap=Ypo(IZR^IZR2)
其包括极性流体24 (RijR2)的弯液面的原理曲率半径。
电流体设备10包括常规设备结构不可能具有的功能。特别地，电流体设备10包括在这里图示为一个或多个具有疏水涂层的分隔器32的拉普拉斯阻挡体，这在分隔器32的两侧或之间创建两个或更多的通路34。通路34总体定义了极性流体24在通道28内前进的流体路径。在下文详细说明的恰当操作条件下，极性流体24可以像不存在分隔器32 — 样流经通道28以及分隔器32，S卩，好像作用于极性流体24的唯一力是由于通道配置造成的一样。
在图1A-1C中，未从电压源30施加电压，并且极性流体24具有小且凸起的垂直曲率半径36。结果，极性流体24将会遭遇到不允许其向前运动或是使其从所显示的电流体设备10的部分退回的净压力38。
图1D示出了电流体设备10-1的另一个替换物，其与图1A的设备相似，但是还包括第二极性流体40。可以看出，与分隔器32毗邻的第一和第二极性流体24、40可以紧密邻接而不整合。相应地，与缺少拉普拉斯阻挡体的常规设备10-2 (图1E)相比，设备10-1可以提供增加的表面面积覆盖。
如图2A-2C所示，电压源30向第一和第二电极14、18提供足以将垂直的曲率半径 36反转成凹进的第一电压(+V)，其中所述第一电压小于阈值电压。这将使极性流体24在通道28中朝着分隔器32前进(由表示在极性流体24上导致产生电动机械压力的电荷的“ + ” 和标记指示)。然而，当极性流体24到达该行分隔器32时，通过在极性流体24的弯液面上给予第二和水平曲率半径42，这些分隔器32将用作多孔流体阻挡体(即拉普拉斯阻挡体)。由此，极性流体24会在零净压力下均衡，其中所述零净压力是图2A-2C中曲率半径36 和42相等的点。这种情况是曲率半径36和42的一个局部示例，并且在本发明的替换实施例中，其他阈值也是可以实现的。虽然没有显示，但是可以·预想的是，如果极性流体24尝试进一步向前移动，那么水平曲率半径42将减小，这对图1A-3C中呈现的设备10来说是非常不利的。
接下来，如图3A-3C所示，电压源30可以提供第二电压(+V2)，其中所述第二电压大于阈值电压，并且将垂直曲率半径36减小至极性流体24将在具有净压力38而不考虑水平曲率半径42的情况下向前移动的点。换句话说，当电压源30提供超出阈值电压的第二电压电平(+V2)时，极性流体24不受分隔器32限制，并且前进到分隔器32之外的第二位置。在缺少诸如拉力和润湿滞后之类的因素的情况下，极性流体24的这种前向移动的阈值理论上是垂直曲率半径36小于分隔器32之间的距离的一半或是通路34的一半宽度的点， 这其中包括拉普拉斯阻挡体。一旦极性流体24超出拉普拉斯阻挡体，那么它会表现出几乎没有阻力或阻碍。例如，分隔器32的高度和直径可以是5 μ m，并且相邻的分隔器之间可以间隔50 μ m。结果，通过流体通路34和分隔器32获取的大约90%的剖面面积可用于流体流动。
这种流动容易性是相对于诸如局部阻挡体、电容毛细管阻挡体或其他微流体限制之类的常规技术的主要优点。此外，本发明的实施例提供了一种独特的方法，这是因为一旦极性流体24的前进边缘超越拉普拉斯阻挡体(在这里是分隔器32)，那么极性流体24将快速地重新获得与处于拉普拉斯阻挡体之前的第一位置的极性流体24内的拉普拉斯压力相似的拉普拉斯压力。结果，通过使用第一电压，极性流体24能够继续流经拉普拉斯阻挡体， 并且其容易度与通道28中没有阻挡体的情况相似。此外，在不需要施加电压的情况下，极性流体24可以作为处于多个位置的单个容量驻留在拉普拉斯阻挡体的两侧。
现在参考图4A-4F并且根据本发明的实施例，在这里描述的电流体设备50可以提供两个或更多的流体定位位置。电流体设备50包括第一和第二基底12、16。如所示，第一基底12包括三个分离且不同的电极132、134、136以及一个分裂电极138，并且在下文中将会对此进行更详细的描述。电介质140覆盖电极132、134、136、138，并且疏水层142覆盖电介质140。第二基底16包括具有疏水层142的上部电极144。在通道28内包含多个围绕电极132、134、136、138、144的周边的分隔器32，并且这些分隔器可以采用先前参考图3A 所示的方式来构造。如所示，与围绕周边的这些分隔器32相比，一些分隔器145可以具有不同的形状。
图4A的说明性实施例能够提供两个或更多的用于流体定位的位置。如图4A和4B 所示，四个电压源146、148、150、152分别提供上部电极144与第一、第二、第三和分裂电极132、134、136、138中的每一个之间的电压。上部电极144与极性流体24是导通的。结果， 极性流体24部分覆盖第一、第二、第三和上部电极132、134、136、144。
如所示，不同于常规设备，在从一个显示状态运动到另一个显示状态时，极性流体 24包围分隔器32的所有暴露表面。换句话说，分隔器32被极性流体24围绕或包围。
参考图4C和4D，电流体设备50被显示成去除了来自与分裂电极138相关联的第 四电压源152的电压。在从分裂电极138去除电压时，分裂电极138之上的通道28中的极 性流体24的弯液面的垂直曲率半径(未显示)将变得小且凸起，这将导致极性流体24从分 裂电极138上方的通道28中去润湿。这使极性流体24分成两个容量一个容量的极性流 体24a占用的是第一电极132上方的通道28，并且一个容量的极性流体24b占用的是第二 电极134上方的通道28,其中第一和第二电压源146、148仍旧向第一和第二电极132、134 供应电压。如果随后从第一和第二电极132、134去除来自第一和第二电压源46、148的电 压，那么由于围绕电极132、134、136、138、144的周边的分隔器32的影响，极性流体的容量 24a、24b仍旧驻留在图4C和4D显示的位置。
接下来，如图4E和4F所示，通过从第四电压源150施加电压，容量24b (图4C)从 第二电极134上方移动到第三电极136上方。当电压被去除时，容量24b由分隔器32而被稳定。
若干个其他的替换实施例也是可行的，但是在这里并未显示这些实施例。例如，两 个容量24a、24b可以稳定在第二和第三电极134、136上，其中任一容量都不会彼此接触或 混合。通过形成较宽拉普拉斯阻挡体的较大分隔器145来增强避免液体混合、合并或接触。 图4A-4F所示的特定实施例提供这两个容量24a、24b的优异的接近定位。例如，如果将六 边形形状的液体紧挨着彼此封装，那么不能以极性流体24填充的水平空间将包含六个六 边形亚三角中的两个或是六边形区域的30%。正方形的封装密度可以更高，并且与最常用的 电极格式更加兼容。通过这里描述的拉普拉斯阻挡体的不同实施例实现了这种将两个正方 形形状的液体紧挨着彼此封装而且还允许极性流体24从一个正方形前进至另一个正方形 的能力，并且这种能力消除了对于极性流体的圆形或六边形容纳的需求。
此外，在另一个替换设置中，以图4C和4D所示的情况开始，通过经由第四电压源 152向分裂电极138施加电压，容量24b可以重新加入容量24a。然后，在将电压施加与第 二和第三电极134、136的情况下，单个容量的极性流体24可以移动到第二和第三电极134、 136之上，并且即使在去除这些电压时也可以被稳定。由此，可以提供一种用于稳定彼此相 邻或彼此联合的极性流体24的机制，其中这两个实例都具有拉普拉斯阻挡体所确定的预 期流体几何形状。
在一个分隔器32被错误制造时，可以提供第二或更多行的相邻分隔器32，以确保 合适的拉普拉斯阻挡体功能。这种改进可以改善设备功能或是提高产量。
图4A-4F所示的电极和电介质设置以及这里描述的所有其他实施例并不局限于 图中示出的特定电介质和电极布置。例如，分裂电极138和相关电介质140可以由第二基 底16保持。只要电极和拉普拉斯阻挡体根据这里描述的基本电子和流体原理工作，那么任 何设置都是可行的。
进一步参考图4A-4F，拉普拉斯阻挡体可以在数学上定义如下。极性流体24的容 量受到限制，由此极性流体24的最小水平半径曲率总是大于相邻分隔器32之间的通路34(图1C)的宽度的一半。这还可以描述成极性流体24具有最大曲率半径，其中该最大曲率半径大于由拉普拉斯阻挡体在极性流体24上给予的最小曲率半径。通常，相邻分隔器32之间的通路34 (图1C)的宽度应该始终大于分隔器32的高度与在所施加电动机械力下获得的最小接触角的余弦的乘积。
进一步参考图4A-4F以及这里将覆盖的所有其他实施例，极性流体24必须能够穿越相邻电极132、138、134、136之间的空间。若干种机制都是可行的，并且所有这些机制全都包含在本发明的原理内。如电润湿芯片实验室领域的技术人员所知的，电极交错结合在桥接相邻电极132、138、134、136之间的间隙方面是有效的。由于电场随着距离而分布且不会在绝缘介质中突然终止的，因此电极132、138、134、136也可以构造成彼此非常接近。在一些情况中，对电极132、138、134、136提供极性相似或相反的电压已被证明是有帮助的。 在其他情况中，相对于电极132、138、134、136之间的空间来说，形成拉普拉斯阻挡体的分隔器32可以局部不重合或者可以是交错的，以便在电极132、138、134、136之间的空间提供极性流体交错结合的替换手段。极性流体24还可以具有至少部分在电极132、138、134、136 之间的空间上突起的容量。其多种组合和设置都是可行的，并且包含在本发明的原理内。
进一步参考图4A-4F，在这里将拉普拉斯阻挡体描述成在几何形状方面是直的。虽然这对一些实施例而言是优选的，但是拉普拉斯阻挡体也可以采用对极性流体24而言更为自然或者在极性流体24由 于电动机械力而前进期间更为自然的形状。这例如可以允许拉普拉斯阻挡体和极性流体24同时在大多数或是所有可能的位置彼此遭遇。
现在参考图5A-5D，这些附图显示的是根据本发明的其他不同的实施例且使用替换的拉普拉斯阻挡体的电流体设备。通常，这些设备包括第一和第二基底12、16，其中在第一基底12上具有第一和第二电极162、164。电介质166覆盖电极162、164。第二基底16 包括上部电极168以及覆盖上部电极168的电介质166。第一电压源170顆合第一和上部电极162，168 ;第二电压源172耦合第二和上部电极164，168。
如图5A所示，以类似于图4A的方式构造的分隔器32可以设置为二维阵列，例如正方形或六边形图案的分隔器32。设备160所工作的方法中的唯一变化在于，使极性流体 24 (图1A)运动通过分隔器32所必需的阈值电压幅度与保持极性流体24向前运动并且覆盖电极162、164所需的电压幅度是相同的。以下是这种方法的三个优点(1)其功能与图 4A的设备50相似，但是可以在不需要沿着电极162、164的周边精确对准分隔器32的情况下实现；(2)极性流体24 (图1A)可以在处于电极162、164之间且覆盖所述电极的多个中间位置处稳定；以及(3)分隔器32之间的间隔不需要是均匀的。例如，虽然没有显示，但是如果在第一电极162左侧的图5A的分隔器32比第一电极162的右侧的分隔器定位得更加接近，那么当极性流体24 (图1A)从第二电极164移动到第一电极162时，极性流体24 (图 3A)的最终位置是可基于从第一电压源170施加到第一电极162的电压而选择的。由此，需要更大的电压以移动通过通道28中具有较小间隔的分隔器32的部分。
与常规的电润湿设备不同，图5A的设备160具有可以在极性流体24的容量具有最小位移的情况下，对极性流体24 (图1A)的移动和稳定性提供这种适应和强壮影响的分隔器32。例如，分隔器32的高度和直径全都可以是5μπι，并且位于正方形阵列中的相邻分隔器32之间的间隔可以是50 μ m。净效应等同于方形单位设备内具有一个截面积为 3 χ2· 5 μ m2 (大约20 μ m2)较大分隔器或是像素截面积为50x50 μ m2 (2500 μ m2);或者换句话说，一个分隔器32占用的截面积将小于像素的总的水平截面积的1%。这对于视觉显示特 定流体或是以最大速度和容量来移动流体的状况而言是有利的。此外，还有利的是，这与常 规的电流体设备相比更有效地使用了空间。由于分隔器32通常是调节第一与第二基底12、 16之间的间隙所需的，因此，这些分隔器32可以使用单个光刻掩膜步骤来同时制造。分隔 器32可以创建对流体流动几乎没有附加妨碍或阻碍的拉普拉斯阻挡体。与在常规的电润 湿显示设计中使用的疏水网格或分隔器不同，通过在放置分隔器32的基底上创建低电容， 分隔器32不会实质上减小两个电润湿板之一的电润湿。
在图5B所示设备180的替换实施例中，导线或塑料丝网代替图5A中的分隔器32 作为拉普拉斯阻挡体。丝网182是导电的，并且其涂覆有非常薄的含氟聚合物，所述丝网 182也可以用作极性流体24 (图1A)的局部电接地。丝网182可以是编织的、熔化的或其 他类型的多孔织物或薄片，并且其具有仅仅需要将丝网、织物或薄片布置在第一与第二基 底12、16之间的经济上的优势。
在另一个实施例中，图5C所示的设备190包括分隔器球体192，其中只要所述分隔 器球体表现出如针对本发明描述的那样允许流体流动的平均分离度，那么这些分隔器球体 可以用作拉普拉斯阻挡体。
与针对图5A描述的分隔器32不同，图5B和5C的塑料丝网182以及分隔器球体 192影响跨越且包含该曲率半径平面的任何锐角的极性流体24 (图1A)的曲率半径。换句 话说，由拉普拉斯阻挡体所导致的极性流体弯液面的减小的曲率半径可以处于与垂直平面 成角度的平面。
在图所示的另一个实施例中，设备200拉普拉斯阻挡体由一个或多个突起或脊 部202组成，其中所述突起或脊部的高度小于通道28的高度。在这种情况下，脊部202将 不用作基底12、16之间的实际物理分隔器，而是仍旧用作拉普拉斯阻挡体。由于脊部202 在高度上比通道28短，因此，在保持相似的拉普拉斯阻挡体属性的同时，脊部202之间的较 小分离度可以在极性流体通过脊部202之后促使所述极性流体更快速地重新结合，在一些 情况中，极性流体24从未分裂。通常，为了促使极性流体24 (图1A)在经过脊部202时不 分裂，与分隔器32 (图5A)相比，拉普拉斯压力应该有利于脊部202顶部上的前向移动，在 一些情况中，这需要第二基底16与脊部202的顶部之间的距离大于脊部202的直径。虽然 术语脊部202看似是指特定的形状，但是所述脊部202并不限于此。相反，所述脊部202可 以包括任何延伸进入但却没有完全穿越通道28的物理结构，包括高度大于其宽度或直径 并且由此形状与柱状物相似的脊部。
图5A- 所示的具体示例并不形成限制设置。相反，图5A- 所示的示例说明拉 普拉斯阻挡体的多种变体和实施例包含在本发明的原理内。附加的拉普拉斯阻挡体可以部 分或者全部由表面能、表面粗糙度、接触角滞后和/或两个基底之间的通道的高度组成。例 如，一个或多个基底上的脊部格栅可以提供拉普拉斯阻挡体功能。此外，具有拉普拉斯阻挡 体的设备还可以使用局部或多孔流体阻挡体，例如电极的局部遗漏部分，或是局部降低极 性流体上的电动机械力的局部增加的电介质厚度。
进一步参考图5A-5C以及本发明的其他实施例，第二基底16不需要承载电极，并 且在通道28中不需要具有接地导线(未显示)或其他电耦合。替代的，共面电极是电润湿领 域的技术人员众所周知的，并且这种电极包含在本发明的原理内。本领域普通技术人员将容易理解如何在本发明的任一实施例中实施共面电极。
参考图6A-6D,描述了根据本发明另一个实施例的电流体设备206。设备206包括 第一和第二基底12、16。作为第一基底12上的块(block)形成的电介质208定义了通道部 分210，而第一基底12的剩余部分与第二基底16 —起形成储液器212。电介质208包括下 部电极214以及分裂电极216，其中分裂电极216在进入通道部分210的流体通路附近或 是与储液器212基本相邻的位置形成。第二基底16包括上部电极218以及覆盖所述上部 电极218的电介质208。第一电压源220通过极性流体24电耦合到下部和上部电极214、 218。第二电压源222耦合分裂电极216和极性流体24。如所示，分裂电极216由此提供将 来自疏水储液器212的极性流体24引入通道部分210的手段。
在没有从图6A所示的第一或第二电压源220、222中的任何一个的电压的情况下， 与通道部分210中的较小曲率半径226相比，由于疏水储液器212在极性流体24上赋予 较大的曲率半径224，因此，极性流体24将有利于占用疏水通道部分210上的疏水储液器 212。如图6A所示，在没有施加电压的情况下，曲率半径224、226使极性流体24退回到疏 水储液器212中。然而，根据本发明的原理，需要用于稳定通道部分210中的极性流体24 的机制。此外，一旦在通道部分210中稳定了极性流体，那么必须允许其在具有恰当电激励 的情况下返回到疏水储液器212。拉普拉斯阻挡体不能单独实现上述功能，因为拉普拉斯阻 挡体仅仅会对前进的极性流体24起作用，即，不会收回极性流体24。因此，图6A-6D中的电 流体设备206的分裂电极216被构造成与疏水储液器212以及至少一个分隔器32相邻。
如图6B所示，第一和第二电压源220、222向极性流体24以及电极214、216、218 供应电压。结果，产生足以使极性流体24前进至通道部分210以及经过分隔器32的净压 力228。为了停止或减少流体的前进，则减小或停止从第一电极214施加的电压。
为了将极性流体24保持在指定或预期的位置，在分裂电极216上去除或减小由第 二电压源222施加的电压。相应地，极性流体24去润湿分裂电极216上方的区域。如图6C 所示，从第一电压源222施加到下部电极214的电压也可以被去除，并且然后极性流体24 将会稳定。
图6A-6D的设备206实现三个特征(I)将极性流体24从疏水储液器212移入通 道部分210的双稳态机制；(2)通道部分210内的极性流体24的量可以基于时间或从电压 源220、222提供的电压而改变；以及(3)拉普拉斯阻挡体(被显示成分隔器32)稳定极性流 体24，以使其始终与分裂电极216相邻。由于这个第三优点，当由第二电压源222再次向分 裂电极216施加电压时，如图6D所示，极性流体24可以退回到储液器212中。在过程的结 束时，由第二电压源222提供给分裂电极216的电压可被去除，以使极性流体24返回到图 6A中示出的位置。
用于改善相邻电极之间的流体流通的若干种机制都是可行的，并且这些机制全都 包含在本发明的原理内。如电润湿芯片实验室领域的技术人员已知的，电极交错结合在桥 接相邻电极之间的间隙方面是很有效的。由于电场随距离分布且不会在绝缘介质中突然 终止，因此，电极还可以被构造成彼此非常接近。在一些情况中，在相邻电极上提供极性相 似或相反的电压可以证明是有帮助的。在其他情况中，拉普拉斯阻挡体可以相对于电极之 间的空间局部不重合或者交错，以便在电极之间的该空间提供极性流体交错结合的替换手 段。极性流体还可以具有至少部分在电极之间的空间上突起的容量。其众多组合和排列都是可行的，并且全都包含在本发明的原理内。
如图6A-6D所示，用于将极性流体24从储液器212引入通道部分210的机制需要 电润湿第一和第二基底12、16。虽然没有特别示出，但是也可以使用单个电极和电润湿表面 将极性流体24引入通道部分210。如果分隔器32包含由电介质材料围绕的电极，那么相邻 分隔器之间的分离度可以减小，并且这些分隔器可被电润湿，以及将极性流体24从疏水储 液器212电润湿或使其渐进到通道部分210。
进一步参考图6A-D，具有拉普拉斯阻挡体的设备206可以提供用于灰度重置的机 制。如先前所述，当电极214、216、218在第一电压上被偏置到阈值电压时，拉普拉斯阻挡体 可以促使极性流体24前进至所述拉普拉斯阻挡体，但是不会超出该阻挡体。由此，设备206 可以提供取决于设备206内包含的拉普拉斯阻挡体的数量的精确灰度值。相应地，提供了 用于极性流体24在两个或更多位置的灰度布置的更精确的机制。应该理解，在极性流体24 移动到拉普拉斯阻挡体以及随后从拉普拉斯阻挡体移开一定距离(例如在两个相邻拉普拉 斯阻挡体之间的位置)时，对于在拉普拉斯阻挡体之间布置极性流体24而提供更精确的机 制。该功能可被称为灰度重置状态，其避免了两个或多个灰度状态(即极性流体24的位置) 之间的多次切换的灰度累积误差。灰度重置在视觉上是优选的，因为灰度重置通常需要将 极性流体24重置以完全填充通道部分210或储液器212，而这将导致每次改变灰度状态时 信息显示中可观察到的闪烁(f I i cker )。
现在参考图7A和7B，示出根据本发明另一个实施例的电流体设备270。同样，电 流体设备270包括在其间形成通道28的第一和第二基底12、16。第一基底12包括三个下 部电极272、274、276以及覆盖第一基底12和电极272、274、276的电介质278。第二基底16 包括三个上部电极280、282、284，并且在这些电极上具有电介质278。上部电极280、282、 284被定位成与第一基底12的下部电极272、274、276正交，由此形成如图7B所示的类似于 网格的行(第二基底16的上部电极280、282、284)和列(第一基底12的下部电极272、274、 276)的图案。这种上部和下部电极272、274、276、280、282、284的设置创建用于在多个位置 之间移动极性流体24 (图3A)的所谓的无源矩阵电极。虽然本领域普通技术人员将容易理 解无源矩阵电极的实施方式，但是在此将设备270示出具有通用电压源283，其中所述通用 电压源代表与上部和下部电极272、274、276、280、282、284中的单独一个电耦合的不同电 压源。
电流体设备270在多个位置之间水平移动极性流体24 (图1A)，以便将双稳态像 素中的极性流体24在两个视觉上不同的状态之间进行切换(图1A)。例如，如果极性流体 24 (图1A)要同时覆盖一个以上的行或列电极，那么通过极性流体24 (图1A)，所覆盖电极 之间的电容耦合会使驱动方案复杂化。相应地，如果金属的用作拉普拉斯阻挡体的导线丝 网182可以用作在所有位置的极性流体24 (图1A)的电接地电极。然后，导线丝网182可 以被设计成使得第一和第二基底12、16上的电润湿必须同时提供，以使极性流体24(图1A) 通过导线丝网182前进。结果，极性流体24 (图1A)仅仅朝向提供有恰当电压的相邻的行 和/或列电极移动。该实施例的这个方面提供用于对极性流体的移动进行无源矩阵电控制 的简单手段。
类似地，常规的电润湿显示器可以包括用于在两种视觉上不同的状态之间切换双 稳态像素中的极性流体的无源矩阵技术。然而，多个电极以及极性流体之间的电容耦合会使得此类常规电润湿显示器中的无源矩阵操作降级。
参考图8A和8B，描述根据本发明另一个实施例的电流体设备296。该电流体设备 296以有源矩阵电极方案构造，S卩，第一基底12包括排列为类矩阵图案并被电介质299覆盖的多个电极298η (其中在说明性实施例中，η的范围是从a到h)。第二基底16包括接地电极300，并且与第一基底12协作而在其间形成包含极性流体24和非极性流体26 (图1A) 的通道28。有源电极方案可以在由每一个电极298η限定的多个位置之间移动极性流体24 (图1Α)。用于每一个电极298η的薄膜晶体管302η提供了针对每一个电极298η的本地电压控制，并且由此控制电极298η上的极性流体24 (图1Α)的电润湿。作为替换，薄膜晶体管302η可以直接向极性流体24 (图1Α)提供电压。无论哪一种情况，当极性流体24 (图 1Α)在电极298η之间移动时，极性流体24 (图1Α)与电极298η之间的电容改变。在有源矩阵驱动中，即使极性流体24 (图1Α)与电极298η之间的电容是可变的，对其进行放电也是容易实现的。然而，在极性流体24 (图1Α)与电极298η之间构建电容来使极性流体24 (图1Α)在电极298η上前进提出一个难题，这是因为电极298η与极性流体24 (图1Α)之间的电容会随着极性流体24 (图1Α)在电极298η上方的前进而增大。在有源矩阵驱动的典型写入时间中，极性流体24 (图1Α)在电极298η上前进的过于缓慢，以至于不允许电容达到最大。结果，需要薄膜晶体管298η的多个行电压写入循环来完成极性流体移动。由此， 优选设置存储电容或多个薄膜晶体管302η以促进极性流体24 (图1Α)的快速移动。多种此类电驱动方案是有源矩阵显示器领域的技术人员所公知的，并且这些方案全都包含在本发明的原理内。
参考图9，描述根据本发明实施例的另一个电流体设备260。示出第一基底12， 并且该基底包括采用方形电焊垫的典型形式的分段电极262a、262b、262c、262d (统称为 262η)，以便在两个或更多的分段电极262η上移动极性流体24 (图1Α)。通过包含第二基底16 (图1Α)，可以与第一基底12—起形成通道28 ;然而为了简单起见，在通过通道28的这个剖面中并未显示第二基底16 (图1Α)。通常，分段电极布局需要至第一基底12边缘的电焊垫 266a、266b、266c、266d 的多条电极线 264a、264b、264c、264d (统称为 264η)。作为替换，虽然未示出，但是电极通孔(via)可以采用与在印刷电路板中使用的方式相似的方式延伸通过第一基底12。在典型实施例中，电极线264η端接于第一基底边缘附近，并且采用一对一的方式分 别与电极162η相连。对于电极262η全都保持在相同基底上的情况,分隔器32可以放置在电极线264η与各个分段电极262η相连的位置。这种结构防止了极性流体24 (图1Α)被机电地且过早地推动到电极线264η上。虽然没有具体示出，但是替换的方法是实施一条在水平方向上很窄的电极线，以使有效电极线区域不足以将极性流体24 (图 1Α)拖到电极线上。
参考图1OA和10Β，示出根据本发明另一个实施例且用于使用针对图1Α-9所描述的一个或多个能力的设备300。设备300包括用玻璃之类的刚性材料或是在制造期间附着于刚性载体的非刚性材料制成的第一和第二基底12和16。非刚性材料可以是柔性或可卷曲的，例如塑料。第一基底12包括电介质302，所述电介质302具有在其内延伸的储液器 304。在储液器304的底部表面上制成诸如炭黑或二萘嵌苯黑色颜料之类的吸光基础材料 306，用于减少来自设备300中那些不能被流体24、26覆盖的部分的反射，并且由此提高像素对比度。针对图10来说，通过在极性流体驻留在储液器304的同时减小来自极性流体24(图1A)的反射，基础材料306也可用于提闻像素对比度。
为了实现用于特征图案化处理的最大分辨率，优选是除了储液器之外将包括分隔器32在内的所有结构全都制造在第二基底16上。如所示，分隔器32是用炭黑或萘嵌苯黑色颜料构造或是涂覆了炭黑或萘嵌苯黑色颜料的。由第一基底12承载的结构，即储液器 304、电介质302和基础材料306可以使用单一的光刻掩膜步骤来制造，因为这些结构共享水平面上的互补几何形状。
设备300还包括在图1OA中作为薄膜晶体管示出的一个或多个电压源308，但是作为替换，如显示领域的技术人员所熟知的，这些电压源也可以是形成小的切换电路和/或存储电容器的多个薄膜晶体管。电压源308包括能够在电压源308与极性流体24 (图1Α) 之间为极性流体24 (图1Α)的在通道28内的所有位置保持电连接的电极310。为了保持电极310与极性流体24之间的电连接，与在设备300中发现的固有或是通过添加具有疏水性的涂层得到的其他表面相比，电极310的疏水性可以更强。
由于晶体管不透明且第一基底12可以由透明材料制造，因此，视点311来自有利位置，由此通道28内的极性流体24 (图1Α)和/或非极性流体26 (图1Α)通过第一基底 12可观看到。
第一基底12还可以包括由电介质314围绕的电极312。第二基底16同样可以包括被电介质314围绕的电极316。在第一与第二基底12、16之间形成的通道28包括至少一个拉普拉斯阻挡体，其中该阻挡体在这里被特别显示成多个分隔器32。
仍旧参考图1OA和10Β，储液器304连接至管道318，该管道318在极性流体24从储液器304移 出并进入通道28时为非极性流体25提供进入储液器304的通路。该管道 318导致储液器的几何形状是非对称的，这有助于促使极性流体24开始从储液器304流入通道28。
图1lA和IlB示出根据本发明实施例且与图1OA的设备300的结构相似的设备 320。设备320的电压源321在储液器304的底部表面上制造，由此，相关联的电极322是在储液器304的底部表面以及侧壁上制造的。相应地，视点311指向第二基底16上方。
为了实现用于图案化的最大分辨率。包括分隔器32的结构可以在第一基底12上制造。在将第一基底12与第二基底16进行装配的期间，在第二基底16上制造且包括上至电极18以及相关联的电介质302的这些结构不需要与第一基底12承载的相应结构对准。
现在转到图12A-13D，示出根据本发明另一个实施例的设备330，其中如参考图1OA所述，所述设备330具有第一和第二基底12、16，并且在第一基底12上具有电介质302。 与图1OA的设备300不同，设备330包括两个储液器332、334。每一个储液器332、334可以采用与图1OA的储液器304相似的方式构造，并且每一个都可以包括不同的极性流体24，40 (图1Α)，当在设备320的通道28中显示并且从视点311查看的时候，每一个极性流体24、 40 (图1Α)都具有不同的光学属性。当在设备330或是这里描述的其他任何单个设备中使用多个极性流体时，可以使用一个以上的拉普拉斯阻挡体来单独和同时限制每一个极性流体的前进。如图13C和13D中具体显示的，拉普拉斯阻挡体允许两个或更多极性流体24、40 定位为紧邻而不会融合。拉普拉斯阻挡体提供了一种手段，借助该手段，通道28内的一个以上的极性流体24、40 (图1Α)可被稳定，而不会出现融合储液器332、334中的其他极性流体40、24 (图1Α)的风险。所述拉普拉斯阻挡体在稳定具有可视区域的通道28中的极性流体的同时还实现了上述功能，其中所述可视区域即为所覆盖的剖面区域，并且该区域大于 极性流体24、40 (图1A)在没有拉普拉斯阻挡体的常规设备中占用的水平呈圆形的几何形 状。通过有效使用设备330中的可视空间，降低了显示器在反射显示应用中的所有非反射 部分的视觉对比度。
参考图13A-13D并且根据本发明的一个实施例，在图12A的电流体设备中添加分 裂电极340、342。所示出的第一和第二极性流体24、40具有至少一个不同的光学属性。该 分裂电极340、342提供了与针对图6A所描述的功能相类似的功能。在将极性流体24定位 在通道28内的时候，处于通道28内的分隔器32将会确保每一个极性流体始终保持稳定并 且与分裂电极340、342之一相邻，以使极性流体24、40可以返回到各自的储液器332、334。 分隔器32还稳定通道28内的不同极性流体24、40，以使分裂电极340、342可以将极性流体 24,40之一分成处于通道28和储液器332、334内的两个容量。这种将极性流体24、40分成 两个不同的较小的容量的机制相对于其中容量必须相似或相等的常规的芯片实验室电润 湿设备中的分裂具有优势。拉普拉斯阻挡体允许极性流体24、40的所分裂的容量是不同且 可重复的。
进一步参考图13A-D，通过使用针对图1A-12B描述的原理，逐步示出用于操作设 备330的视频和双稳态模式。
在视频模式期间，分裂电极340、342将被偏压，以使得至少一个极性流体24、40可 以驻留在通道28内且处于分裂电极340、342附近。结果，如参考图6A-6D所述，极性流体 24,40之一可以在通道28与各个储液器332、334之间以视频速度(即IOHz)移动。
在双稳态模式期间，使用恰当的电压或无电压来将分裂电极340、342偏压，由此， 处于通道28内的极性流体24、40之一或是这二者会从各自储液器332、334内的量中分离。 结果，在没有电压施加于设备330中的任一电极的情况下，极性流体24、40在通道28中的 位置保持稳定。实际上，在包含两个或更多具有结构与设备330相似的像素的显示设备中， 使用附接于所有分裂电极340、342的单个电压源，可以在视频与双稳态模式之间切换显/Jn ο
虽然在图13A-13D中没有显示，但是一旦在通道28内稳定了极性流体24、40之一 或是这二者，则可以使用与如上所述的原理相类似的原理来移动极性流体24、40。存在这里 给出的不同设备和实施例的多个组合，并且本发明并不局限于特定附图示出的功能。
在参考图6A、12A和13A描述的设备中还可以实施无源矩阵驱动方案。虽然该描 述特别针对的是图6A的设备206，但是针对图12A和13A的设备的330的原理的实施方式 也是很容易理解的。
假设显示器包含图6A所描述的设备206的阵列，其中每一个设备206位于行和列 电极矩阵的交叉点。每一个设备206形成一个像素、分段、子像素或是其他视觉有用的特 征。在第一无源矩阵驱动方案中，分裂电极216是行电极；上部电极218是列电极，而下部电 极214则由所有像素共享。下部电极214可以提供有允许极性流体24前进至通道28或是 退回到储液器212的电压。极性流体24还提供有所有设备206的公共电连接，以便将设备 206电接地以及防止电压与极性流体24电容耦合。结果，使用行电极216来连接通道210 和储液器212中的极性流体24，以及使用列电极218来控制极性流体70是否移入通道210 或储液器212，可以每次将设备206定址在一个行上。附加的驱动方案也是可行的，并且可以使用电极214、216、218中的任何一个以及可以使用以电容或导电方式连接至极性流体 24的附加列电极(未显示)来创建首先允许将极性流体24移入通道210的无源矩阵框架， 其后允许将极性流体24移入储液器212的替换框架。用于本发明的众多无源矩阵驱动方案都是可行的，这些方案可以通过使用拉普拉斯阻挡体、分裂电极216以及每一个设备206 上的两个或更多电极来实现。参考图14A-16B，示出根据本发明另一个实施例的单个像素360，其中所述像素可以与附加像素结合而形成大的像素阵列，即显示设备。每一个像素360由有源矩阵定址技术驱动，但是为了简单起见，在这里仅仅显示单个像素360。像素360具有在第一与第二基底12、16之间(在剖面图中并未显示第二基底16)形成的四个通道区域362a、362b、362c、 362d (统称为362η)，其中第一基底12包括由概括性地被显示成电压源365的电压源驱动的四个独立电极364a、364b、364c、364d (统称为364η)。容易了解的是，虽然仅仅显示四个通道区域362η以及四个电极364η，但是在通道中仅有一个或是四个以上的电极的任何数量的通道区域都是可行的。
如图14Α和14Β所示，每一个通道区域362η包括储液器366a、366b、366c、366d(统称为366η)，并且每一个储液器包含不同的极性流体368a、368b、368c、368d，以及其中通道区域362η的容量由非极性流体370填充。像素360的外部周边372具有形成拉普拉斯阻挡体的一系列分隔器374。这个外部周边372的用途是在相应极性流体368η从储液器366η 移至通道区域362η时允许非极性流体370受控地返回储液器366η。
图14Β、15Β和16Β示出像素360的一部分、尤其是一个通道区域362b的更进一步的细节。如所示，管道376以流体方式耦合到储液器366b以及通道区域362b。该管道376 在几何结构上部分或者全部在与储液器366b —样深，但是其具有小于储液器366b的几何形状，由此拉普拉斯压力将会阻止极性流体368b润湿管道376。由此，管道376提供一个通道，通过该通道，非极性流体370能够容易进入储液器366b。如果储液器366b是对称的 (例如具有圆形的形状)并且由通道区域362b围绕，那么管道376打破储液器366b的对称性，否则极性流体368b会在受到电动机械力的情况下尝试沿着所有径向离开储液器366b。 由于非极性流体370没有其他进入储液器366b的方式，因此还可以将极性流体368b限制在储液器366b的内。
图14B、15B和16B的放大视图最佳显示流体移动的非限制性顺序。虽然仅仅显示了像素360的一个通道区域362b来描述流体移动的顺序，但是应该理解，在其他通道区域 362a、362b、362c、362d中也可以使用了类似的结构和流体移动。在图15B中，极性流体368b 从储液器366b前进至通道362b。用作另一个拉普拉斯阻挡体的放大的分隔器378被定位成防止极性流体368移经通道区域362b中被分隔器378覆盖的部分。
将电压施加于电极380、382、364b，以创建将极性流体368b从储液器366b拖入通道区域362b的电动机械力。
然后，极性流体368b必须被分裂，以使得在通道区域362b与储液器366b之间没有连续的极性流体连接，否则，在去除电压时，则极性流体368b将会借助拉普拉斯压力退回到储液器366b。如图16B中最佳显示的那样，从第二电极382上去除电压，由此导致非极性流体370如箭头384所示前进到通道区域362b中并且覆盖第二电极382。这有效地将极性流体368b分成了两个容量处于通道区域362b的第一容量以及处于储液器366b的第二容量。然后，由于分隔器374将极性流体369b限制在通道区域362b内，因此可以从电极 364b上去除电压。通过向电极380、382施加电压，极性流体368b可以返回到储液器366b ； 然而，施加给电极364b的电压应该足够高，以促进处于通道区域362b内与处于储液器366b 内的极性流体368b之间的接触，但是所述电压还应该足够低，以使杨氏拉普拉斯压力将极性流体368b从通道区域362b驱动到储液器366b。作为替换，虽然没有特别显示，但是第一电极380中与储液器366b相邻的一部分可被去除并用亲水表面替换。由此，这个亲水表面始终会被极性流体368b润湿。作为替换，电极380、382可以是交错结合的，或者可以被放置在不同的基底(例如第一和第二基底12、16上，以使其可以机电地影响极性流体368b。作为替换，如参考图6A所述，电极380中与储液器366b相邻的部分可以被分裂电极138 (图 1A)取代，并且由此使用与针对图6A和13A描述的功能相似的功能。
在图15A中，极性流体368b仅仅浸润电极364b上方的通道区域362b。此时，极性流体368b可以移至相邻通道区域362a、362b，并且作为替换或补充，通过将电压同时施加于相应电极364a、364c、364d以及与每一个储液器366b相关联的第二电极382 (图15B), 可以拖曳所述极性流体覆盖所有通道区域362η。
如图16Α和16Β所示，两个极性流体368a、368c可以填充相邻通道区域362a、 362b,362c而没有结合的风险。因此，在单个像素360中可以提供多种颜色组合，而没有与滤色器相关联的亮度和色饱和度损失。
对于像素阵列来说，围绕每一个像素的拉普拉斯阻挡体可以由围绕管道取代，尽管在这里并未具体显示此。在替换实施例中，多个像素可以以彼此相邻的方式放置，以便共享相邻的储液器，这可以简化极性流体的剂量或降低用于所构造的显示器的驱动电路的 复杂度。
对于图14A-16B显示的实施例来说，为了消除流体流动的影响以及在将像素设置在一维或二维阵列中时的相邻像素360之间的压力，提供边界阻挡体386。
参考图17A-17J，根据本发明的另一个实施例，示出具有较薄轮廓的电流体设备 400，并且包括第一基底12，其中在所述第一基底上具有第一电极402以及电介质404。在这里被显示成一系列分隔器402的第一拉普拉斯阻挡体以光刻方式图案化在电介质404上。 作为示例，每一个分隔器32的厚度或高度可以是4μπι。此外，还使用光刻法形成不是拉普拉斯阻挡体的分隔器，并且该分隔器被标记成386。在分隔器32上应用分隔层406，并且如下所述，该分隔层包括被配置成允许流体在设备400内流动或传播的第一两个管道408a、 408b。所述分隔层406并不是中间基底，而是直接在第一基底12上形成，并且由此密切地属于或校准到第一基底12。所述分隔层406还可以作为类似DuPont Per-MX的层压光刻胶来应用。这形成用于保持极性流体24的储液器410。在添加第二基底16时，在第二基底 16与分隔层406之间会形成通道412。通道412和储液器410在特征方面是相似的，并且在适当的位置可以互换。相应地，管道408a、408b在通道412与储液器410之间提供流体通路。包含独立制造中间基底以及随后将中间基底与另一个基底相结合的常规构造，由于对准问题以及薄聚合物膜变形问题，而对制造业造成过高的挑战。
如所示，第二基底16包括第二电极414。如先前详细描述地，第一和第二电极402、 414全都包含电介质层404。
第三基底416可以是用具有反射属性的材料构造或包含作为涂层的具有反射属性的材料，所述第三基底由优选基于光刻的方法在疏水层406上制造。
第一和第二基底12、16还可以包括边界阻挡体386，其中所述阻挡体构造为固态 阻挡体或拉普拉斯阻挡体，以定义显示设备的各个像素。
第二基底16、第二电极414以及电介质404层压在用透明材料构造的边界阻挡体 386上。在施加第二基底16之前，与第一极性流体24或非极性流体26具有流体接触的大 多数表面包含先前描述的疏水涂层，但是为了简单起见，在这里并未特别对此进行图示。在 一些实施例中，疏水涂层没有将第三电极416与极性流体24电绝缘。由此，疏水涂层可以 足够薄，以便允许极性流体24与第三电极416之间导电。
设备400内且与第二电极414相邻的流体空间，即通道412基本上可以从视点311 看到，而与第一电极402相邻的空间，即储液器410基本上对视点311是隐藏的。储液器 410和通道412包含极性流体24和非极性流体26。
设备400外部的光源430允许借助与第三电极416相关联的反射属性来观察流体 空间内的极性流体24。相应地，光从光源430进入设备400并且经过第二基底16的可视区 域。所述光穿越通道412内的流体(极性流体24或非极性流体26)并且在第三电极416上 被反射。当光穿越流体时，所述光的至少一个频谱属性会经历变化，其中极性流体24和非 极性流体26以不同的方式改变光的频谱属性。举例来说，频谱属性可以包括波长、散射、极 化、反射、吸收、折射或其他已知属性。
第一电压源418和第二电压源420与三个电极402、414、416相连，其中两个电压 源418、420都通过第三电极416而与极性流体24具有公共连接。电压源418、420能够在第 一位置或第一显示状态到第二位置或第二显示状态之间移动极性流体，其中在第一显示状 态中，极性流体24主要驻留在储液器410内，并且由此大不被看见的，在第二显示状态中， 极性流体24主要驻留在通道412内，并且由此在很大程度上是可以看到的。所谓的“灰度” 这样的中间位置同样是可能出现的，其中极性流体24的仅仅一部分是可以被看到的。
参考图17A和17B，示出在第一和第二电压源418、420上施加负电压或零电压的情 形的第一垂直曲率半径422和第二初始曲率半径424。由于在极性流体24接触的大多数 区域中设置了疏水涂层，并且由于储液器410和通道412的高度被设计成近似相等，因此， 曲率半径422和424近似相等。还为图18B的顶视图示出影响力较小的曲率半径426，但 是如先前所述，与明显较小的第一和第二曲率半径422和424相比，曲率半径426的重要性 相对较低。在这个配置中，极性流体24在具有以下条件的情况下稳定由于曲率半径422 和423不会完全相同(主要是因为通道412与储液器410之间的高度变化)，因此必须存在 某个力来进一步对抗处于均衡状态的极性流体活动。在一个实施例中，为了对抗流体活动， 需要拉普拉斯阻挡体。在这个实施例中，拉普拉斯阻挡体可以通过接触角滞后来提供，其中 所述滞后会在多个位置稳定极性流体24。接触角滞后可以是疏水涂层22 (图1A)的固有 属性，例如疏水涂层的纹理表面，它可以归因于电荷注入，或者可以通过电润湿领域的技术 人员知道的其他手段来完成。
包含在图17A的设备中使用的接触角滞后的拉普拉斯阻挡体在数学上可以定义 如下。通道412或储液器410中的拉普拉斯压力之间的差别必须小于接触角滞后所导致的 滞后压力。可以通过在计算拉普拉斯压力的过程中用与参量余弦相除的高度来替换通道 412或储液器310的高度而计算该滞后压力(杨氏角会减小接触角滞后)。
然而，如下所述，接触角滞后并未提供灰度重置能力。结果，分隔器32形成一行拉 普拉斯阻挡体，并且将会提供如针对本发明的其他实施例描述的灰度重置状态。
参考图17C和17D，两个电压源418、420都供应了相似的电压，并且由此施加了相 似的电动机械力，以减小极性流体24在通道412或储液器410的一个侧面上的表观接触 角。虽然同时增加曲率半径424、426，但是半径424、426同等增加，并且不会发生极性流体 24的位移。
参考图17E-17H，电压源418、420中仅有一个供应电压，或者作为替换供应幅度或 持续时间改变的电压，由此，净压力428导致极性流体24沿着净压力428的方向移动。极 性流体24可以填充或清空储液器410，或者可以被移动到储液器410和/或通道412内的 中间位置。虽然没有显示，但是附加电极和电介质可被添加到与疏水层406相邻，以提高净 压力428。由于接触角滞后，在去除电压时，则极性流体24在给定位置保持稳定。
如图171和17J所示，极性流体24被前进至分隔器32，但是不会超越该分隔器。 然后，可以去除电压，以创建极性流体24的双稳态定位。图17J的视图是储液器410的视 图，其不同于是通道412的视图的图17B、17D、17F和17H中的视图。
结果，设备400被显示成按需提供视频或是不同灰度状态之间的快速切换，而不 会具有显著或缓慢的“闪烁”。例如，常规的电泳显示器必须在图像更新之间将像素重置到 完全白色或黑色外观，否则，处于常规设备内的切换色素中的小误差将会累积到不可接受 的水平。可以解决这个问题的唯一手段是在中间位置创建灰度重置状态。对于图171的设 备400来说，如果设备或像素处于最大反射率的40%，并且需要具有最大反射率的50%的灰 度重置，那么在切换到45%的灰度状态之前，像素首先会被重置到50%的状态。这在光学上 只有10%的差别，并且在净流体移动具有15%的差别，由此极大减少了屏幕上的任何“闪烁” 外观以及所需要的切换时间。
虽然没有显示，但在储液器410或通道412之一或是这二者的内可以采用与针对 其他实施例描述的方式相类似的方式来添加附加的拉普拉斯阻挡体。附加的拉普拉斯阻挡 体将允许以不同的几何形状来显示极性流体24，例如正方形或矩形。此外，设备400可以包 括如先前所述的第二极性流体40 (图1D)，由此可以在拉普拉斯阻挡体的任一侧显示两个 极性流体24、40，而不会出现融合和颜色融合的风险。设备400的特征可以与为本发明的其 他附图和实施例描述的特征和性能相结合。
参考图18A-18D，并且根据本发明的实施例，提供一个具有开放单元(open cell) 架构的设备450。一般来说，设备450与图17A的设备400相似，但是管道452提供在包含 像素和计数器的设备中心，并且流体流动实现在设备450的边缘453。此外，第一电极402 在与管道452对准的位置被分开，并且第二电极454是在其间形成的空间内形成的。第一 和第二电极402、454由第一电压源456驱动；第三和第二电极414、454由第二电压源458 驱动。
与图17A的设备400相比，由于极性流体24只需要在设备中移动大约一半的距 离，因此，该替换实施例的几何对称性可以提升设备450的切换速度。一个附加的方面是使 用气体作为非极性流体24来执行操作的能力。与如油这样的液态流体相比，气体的粘度低 很多，并且有可能将切换速率有效提升两倍或多倍。
现在特别参考图18C和18D，与使用油作为非极性流体26的实施例相比，当使用气体时，用于极性流体24的杨氏角将会大大减小。然而，操作原理保持不变。分隔器32和边界阻挡体386仅仅占用设备450的周边的小部分。如果分隔器32或边界阻挡体386占用设备350的显著区域，那么在极性流体24再次润湿这些拉普拉斯阻挡体时，这难以去润湿极性流体24。将极性流体24与拉普拉斯阻挡体之间的接触面积最小化确保了极性流体24 保持单个容量，由此维持设备450的最大观看对比度。虽然没有显示，但是也可以使用第二非极性流体，并且在该示例中，第一非极性流体可以是气体，第二非极性流体可以是紧挨着拉普拉斯阻挡体提供的少量附加的油，以有助于从拉普拉斯阻挡体去润湿极性流体24。
现在转到图19A和19B并且根据本发明的实施例，拉普拉斯阻挡体可以用于在单个设备中显示三种或更多有色流体，而不会混合或融合这些有色流体。具有有色的油的常规的电润湿设备缺少这一能力，因为所述油会将痕量遗留在大多数表面上，这最终会导致混合。具有电泳色素的常规的油可以提供两种有色色素，但是所述油本身必须是透明的，由此最多只能实现两种颜色。
例如,示例性设备470允许使用染料以及两种或更多的有色极性流体来使用黑色的非极性流体，其中所述极性流体包含着色剂，例如散布的色素。这种能力使得具有用于显示的新的颜色空间机会，并且能够实现大约是常规技术两倍的反射性能以及颜色饱和度。 设备470被显示成具有以与图13A的设备330相类似的方式构造的三个像素472a、472b、 472c(统称为472η)。每一个像素472η都包含黑色的非极性流体478以及具有颜色互补的不同着色剂的两个极性流体480η、482η。用于红色、绿色、蓝色、蓝绿色、品红色、黄色、白色、 黑色的缩略语分别是RGBCMYWK。特定原色(即RBY)的互补颜色是不包含特定原色的颜色， 也就是说，由于蓝绿色是蓝色和黄色的混合物且不包含红色，因此蓝绿色与红色是互补的。 所示出的设备470包括下列像素472a包含具有红色着色剂(R)的极性流体480a和具有蓝绿色着色剂(C)的极性流体482a ;像素472b包含具有绿色着色剂(G)的极性流体480b 和具有品红色着色剂(M)的极性流体482b ；以及像素472c包含具有蓝色着色剂(B)的极性流体480c和具有黄色着色剂(Y)的极性流体482c。
使用设备470，可以计算出使用双原色系统的像素性能。在对每一个像素472η中使用两种或更多有色极性流体480、482的影响进行计算之前，首先必须计算原始像素性能。在像素面积大小为340 μ mxl5 μ m或是大约39，000 μ m2的情况下，Al电极和分隔器图案化的分辨率限制是5 μ m，储液器图案化处理的分辨率限制约为20 μ m,并且Al电介质314 (图3A)由分辨率提高3%的材料覆盖，其结果在表I中示出。每一个像素具有两个储液器 332n、334n并且具有8行拉普拉斯阻挡体(被显示成分隔器32)的原始像素性能具有77%的净反射率。假设储液器332η 334η、分隔器32以及像素周边全都被在光学上呈黑色的材料所遮蔽，那么产生反射的总的区域是75%。更进一步，应该注意，如果使用脊部202 (图OT) 并且所述脊部比通道高度短，那么脊部202 (图5D)仍旧用作拉普拉斯阻挡体，并且可以消除与分隔器32相关联的10%的饱和度损失。
表I
权利要求
1.一种显示像素，包括 第一极性流体； 非极性流体； 第一基底； 第二基底，相对于所述第一基底设置以限定出包含所述第一极性流体和所述非极性流体的疏水通道，其中通过所述第一基底或所述第二基底中的至少一个可看见所述第一极性流体或所述非极性流体中的至少一个； 所述第一基底上的第一电极； 所述第一基底与所述第一极性流体之间的电介质层； 所述疏水通道内的第一拉普拉斯阻挡体，所述第一拉普拉斯阻挡体限定出对所述第一极性流体在所述疏水通道内的移动开放的流体通路；以及 与所述第一电极电连接的第一电压源，所述第一电压源配置为对所述第一电极进行电偏置，以使所述第一极性流体在所述疏水通道内相对于所述第一拉普拉斯阻挡体移动， 其中，当所述第一电极由所述第一电压源以小于或等于阈值电压的第一电压进行偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内移动到第一位置以提供第一显示状态，以及当所述第一电极由所述第一电压源以大于所述阈值电压的第二电压进行偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内从所述第一位置移动到第二位置以提供第二显示状态。
2.根据权利要求1所述的显示像素，其中，当以所述第一电压对所述第一电极进行偏置时，所述第一拉普拉斯阻挡体将所述第一极性流体限制在所述第一位置。
3.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括在所述第一基底与第二基底之间延伸的多个疏水分隔器，并且所述多个疏水分隔器设置为具有足以使所述第一极性流体的弯液面具有一曲率半径的间隔。
4.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括突出进入所述疏水通道的至少一个突起部分，并且所述至少一个突起部分使所述第一极性流体的弯液面具有一曲率半径。
5.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体包括一个或多个疏水分隔器，所述一个或多个疏水分隔器将所述流体通路划分成多个开口，其中每一个开口至少部分由处于所述第二位置的所述第一极性流体占据。
6.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体由暴露表面限制，并且当所述第一极性流体处于所述第二位置并且所述第一电极未被偏置时，所述第一极性流体围绕所述第一拉普拉斯阻挡体的所述暴露表面。
7.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一电压对所述第一极性流体提供电动机械力，所述电动机械力足以通过克服所述第一极性流体内与所述移动相反方向上的拉普拉斯压力而将所述第一极性流体移动到所述第一位置。
8.根据权利要求7所述的显示像素，其中，当去除所述第二电压时，所述拉普拉斯压力使所述第一极性流体从所述第二位置退回。
9.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第二电压对所述第一极性流体提供电动机械力，所述电动机械力足以通过克服拉普拉斯压力以及由第一拉普拉斯阻挡体对所述第一极性流体给出的限制而继续将所述第一极性流体移动到所述第二位置。
10.根据权利要求9所述的显示像素，其中，当所述第一极性流体处于所述第二位置时，所述第一极性流体经受到与所述疏水通道相关的力并且不受其他限制。
11.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 所述疏水通道内的第二极性流体，所述第二极性流体具有至少一个与所述第一极性流体的光频谱属性不同的光频谱属性，并且当以所述第一电压对所述第一电极进行偏置时，所述第一拉普拉斯阻挡体位于所述第一极性流体与所述第二极性流体之间。
12.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 第一储液器，与所述疏水通道流体耦合，并且配置为在与所述第一极性流体从所述第一位置到所述第二位置的的所述移动相反的方向上将拉普拉斯压力施加在所述第一极性流体上。
13.根据权利要求12所述的显示像素，其中，所述第一储液器在所述第一极性流体处于所述第一储液器内时使所述第一极性流体具有的曲率半径大于所述第一极性流体处于所述疏水通道内具有的曲率半径。
14.根据权利要求12所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第二储液器，使得所述疏水通道在所述第一储液器与所述第二储液器之间延伸；以及 处于所述疏水通道、所述第二储液器或其组合内的第二极性流体，所述第二极性流体具有至少一个与所述第一极性流体的光频谱属性不同的光频谱属性。
15.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第一储液器；以及 由具有反射属性的材料构成的第二电极， 其中，所述第二电极位于所述第一储液器与所述疏水通道之间，并且与所述第一极性流体电I禹合。
16.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第一储液器； 位于所述第一储液器与所述疏水通道之间的第二电极；以及 位于所述第二电极与所述第一极性流体之间的第二电介质层。
17.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 第二电极；以及 与所述第二电极电连接的第二电压源，其中当所述第二电极由所述第二电压源以第一电压偏置时，所述第一极性流体在所述疏水通道内被划分为在所述第二电极的相对侧的两个容量，当所述第二电极由所述第二电压源以第二电压偏置时，所述第一极性流体的所述两个容量被移动到所述第二电极上并结合，第二电极上的第二电压大于第二电极上的第一电压。
18.根据权利要求17所述的显示像素，还包括 储液器，与所述疏水通道流体耦合并且配置为在与从所述储液器到所述疏水通道相反的方向上在所述第一极性流体上施加拉普拉斯压力，所述第二电极位于所述疏水通道中并与所述储液器相邻，以使得仅在所述第二电压源以产生出克服所述拉普拉斯压力的电动机械压力的电压进行偏置时，所述储液器中的所述第一极性流体才移动进入所述疏水通道中， 其中，在未以电压对所述第二电极进行偏置或者以所述第一电压对所述第二电极进行偏置时，所述第一极性流体分为位于所述疏水通道中的第一容量以及跨越所述储液器的第二容量，其中所述第一容量和所述第二容量由所述第二电极分开。
19.根据权利要求18所述的显示像素，还包括 第二拉普拉斯阻挡体，其中所述第二拉普拉斯阻挡体位于所述疏水通道中并与所述第二电极相邻。
20.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 包含非黑色着色剂的第二极性流体， 其中，所述非极性流体包括黑色着色剂，并且所述第一极性流体包括对于所述第二极性流体的所述非黑色着色剂是互补颜色的着色剂。
21.根据权利要求1所述的显示像素，还包括 设置为与所述第一电极交叉的第二电极；以及 与所述第二电极电连接的第二电压源， 其中，所述第二电压源配置为供应与所偏置的第一电极协作的第三电压，以将所述第一极性流体移动到所述第一位置或所述第二位置。
22.—种显示设备，包括根据权利要求1所述的多个电流体显示像素。
23.根据权利要求22的显示设备，还包括 处于两个或更多电流体显示像素中的每一个中的第二极性流体； 所述多个电流体显示像素中的第一电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括红色着色剂并且所述第二极性流体包括蓝绿色着色剂； 所述多个电流体显示像素中的第二电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括品红色着色剂并且所述第二极性流体包括绿色着色剂；以及 所述多个电流体显示像素中的第三电流体显示像素，其中所述第一极性流体包括黄色着色剂并且所述第二极性流体包括蓝色着色剂。
24.根据权利要求1所述的显示像素，其中，所述第一拉普拉斯阻挡体根据接触角滞后原理进行操作。
25.根据权利要求24所述的显示像素，还包括 与所述疏水通道流体耦合的第一储液器，其中所述第一拉普拉斯阻挡体能够用于产生滞后压力，所述滞后压力大于所述第一极性流体在所述疏水通道中的拉普拉斯压力与所述第一极性流体在所述第一储液器中的拉普拉斯压力之间的差值。
26.—种制造显示像素的方法，所述方法包括 通过光刻在第一基底上的光刻胶层中图案化分隔器层； 在所述分隔器层和所述第一基底上层压分离层，其中所述分离层是干膜光刻胶； 通过光刻图案化所述分离层，以形成储液器以及与所述储液器耦合的流体通孔；以及将第二基底定位在所述第一基底的所述分离层上，以在所述分离层与所述第二基底之间形成疏水通道。
27.一种操作显示像素的方法，所述方法包括 在电流体像素内将第一极性流体移动到第一位置，以及在所述电流体像素内使非极性流体产生位移来提供第一显示状态； 在所述电流体像素内将所述第一极性流体从所述第一位置移动到第二位置，以及进一步在所述电流体像素内使所述非极性流体产生位移来提供第二显示状态；以及 通过第一拉普拉斯阻挡体将所述第一极性流体限制在所述第一位置，以保持所述第一显示状态。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，移动步骤还包括偏置与所述第一极性流体电耦合的电极。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括 将第二极性流体移动到所述第一拉普拉斯阻挡体，以使得所述拉普拉斯阻挡体处于所述电流体像素内的所述第一极性流体与所述第二极性流体之间。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述电流体像素包括第二拉普拉斯阻挡体，所述方法还包括 将所述第一极性流体移动到在所述第一拉普拉斯阻挡体与所述第二拉普拉斯阻挡体之间的第三位置； 使所述第一极性流体前进至所述第二拉普拉斯阻挡体；以及 将所述第一极性流体移动到第四位置。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述第一极性流体的所述移动不受所述第一拉普拉斯阻挡体限制。
32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第一极性流体位于储液器内，所述方法还包括 从所述储液器中移出所述第一极性流体并使其进入所述电流体像素。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述电流体像素包括与所述储液器流体耦合的疏水通道以及位于所述储液器与所述疏水通道之间的第二电极，所述方法还包括 以产生电动机械压力的电压对所述第二电极进行偏置，以从所述储液器中移出所述第一极性流体并使其进入所述电流体像素。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，第二拉普拉斯阻挡体位于所述疏水通道内并且与所述第二电极相邻。
35.根据权利要求27所述的方法，其中，第二电极位于所述电流体像素内，并且电压源耦合至所述第二电极，所述方法还包括 当由所述电压源以第一电压对所述第二电极进行偏置时，将所述第一极性流体划分为处于所述第二电极的相对侧的两个容量；以及 当由所述电压源以第二电压对所述第二电极进行偏置时，重新聚合所述第一极性流体的所述两个容量， 其中，所述第一电压小于所述第二电压。
36.根据权利要求27所述的方法，还包括 将所述第一极性流体划分为第一和第二容量，其中所述第一和第二容量中的至少一个处于所述电流体像素内且与所述第一拉普拉斯阻挡体相邻。
全文摘要
电流体和电润湿显示像素、电流体和电润湿显示器以及操作电流体和电润湿显示像素的方法。所述像素包括形成在第一与第二基底之间并且包含了极性流体和非极性流体的疏水通道，其中极性流体和非极性流体中的至少一个通过至少一个基底可看到。具有电介质的电极电耦合到电压源。拉普拉斯阻挡体限定出用于流体在通道中的移动的流体通路。当电压源以小于或等于阈值电压的第一电压偏置时，极性流体移动到第一位置，以提供第一显示状态。当电压源以大于第一电压的第二电压偏置时，极性流体移动到第二位置，以提供第二显示状态。
文档编号G02F1/153GK103026294SQ201080045115
公开日2013年4月3日 申请日期2010年8月13日 优先权日2009年8月14日
发明者J·海肯菲尔德, E·科莱特, 杨澍 申请人:辛辛那提大学
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