限定用于保持流体或感光材料的容积的装置的制造方法

摘要

本发明涉及一种制造至少一种限定用于保持流体或感光材料的容积(8)的装置(2，30，48)的方法，所述流体或感光材料能够通过施加电压改变其物理特性特别是光学特性，或者通过施加应力或辐射改变其电特性，所述装置(2，30，48)包括彼此保持恒定距离的至少第一正面基片(4，38，56)和至少第二背面基片(6，32，50)，这两个基片(6，32，50；4，38，56)通过限定用于保持感光介质或流体的容积的密封接合(24，46，72)而接合，所述方法的特征在于其包括以下步骤：在基片之一(6，32，50)上构造至少一壁(12，44，66)，所述壁通过内侧面限定用于保持感光介质或流体的容积(8)；将第二基片(4，38，56)接合到第一基片(6，32，50)上；引入能够流入由壁(12，44，66)的外侧面和两个叠置的基片(6，32，50；4，38，56)限定的间隙(22)的密封材料，直到所述间隙(22)的至少部分容积充有密封材料；以及固化密封材料以使其形成密封框(26，46，72)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造例如电光显示元件或电化学光电元件的装置的方法。本发明还涉及特定类型的熟知为“微电子机械系统”或“MEMS”的微系统。

背景技术

第一种已知的光电元件通过利用在半导体材料的结处出现的光电效应将光转化成电。半导体材料同时实现光吸收和对产生的电荷(电子和空穴)进行分离的功能。材料必须高纯度且没有任何缺陷，否则电子和空穴在能够分离之前复合。

本发明涉及第二种称为电化学元件的光电元件，其包括由于其禁带带宽而通常对可见光不感光且仅在近紫外开始吸收的半导体材料。但是通过吸收着色剂如过渡金属络合物，其允许入射光子和电子之间的转换率接近为1，这种材料仍然能够感光。在通过吸收光子受到激发后，着色剂能够将电子转移到半导体材料的导带中。主要位于半导体材料中心处的电场使能够获得电子。转移电子后，着色剂回到原有的氧化态。半导体材料导带中的电子和氧化着色剂中的空穴之间的复合比氧化着色剂通过介质的还原慢得多。因此，电荷分离是有效的。

上文描述的这种类型的元件通常包括第一透明正面基片和通常可以是透明或不透明的第二背面基片。这两个基片的每个在其彼此相对的两面上都包括也称为反电极的第一电极、和通常称为光电极的第二电极。这些电极连接到供电电路，并且常规地制造为透明导电氧化物(如铟/锡氧化物或锑/锡氧化物的混合物)的薄层的形式。

这两个基片通过沿其边缘延伸的密封框彼此接合。该密封框限定密封容积，其用于保持沉积在基片之一上的层中的半导体材料和包含上述介质的电解液。

本发明还涉及通常所说的电光元件，特别是液晶元件，其类似于电化学光电元件，包括：

第一透明正面基片，其顶表面形成元件的正面；

可以是透明或不透明的第二背面基片，其底表面形成所述元件的背面；

每个基片在其彼此相对的两面上都包括至少一个电极，这些电极将连接到显示控制电路，所述显示控制电路通过对选定电极施加适当电压，能够改变光学激活介质的透射或反射特征；

基片通过限定密封容积的密封框接合，其中密封容积用于保持光学激活介质，以及

用于在各个电极和显示控制电路之间设置电连接的连接装置。

密封框确保元件边缘的密封性，由此有效地保持元件包含的激活介质，并保护这些介质不受到来自周围环境的气体扩散现象的影响，该现象可能损害元件的寿命。

通常，密封框的沉积通过丝网印刷实现，这种方法的实现可能彻底地损坏所有在丝网印刷步骤前沉积的易碎结构，如电连接或衬垫。应该了解，实际上，丝网印刷技术在于利用人工或者机械操纵的橡皮滚子，通过例如由尼龙或者不锈钢构成、具有非常精细筛孔的丝网的无阻碍网眼来沉积糊状稠性材料，这种技术的实现产生显著的机械应力，所述应力对已经沉积的相邻结构如对准层、间隔条或电连接通常是有害的。

已知衬垫用于保持元件的两个基片之间的恒定间隔，并为基片提供良好的机械刚度。在目前已知的方法中，在适当地设置第二基片之前，两个基片之间的距离通常由散布在基片之一上、几何尺寸完全受控的球状物或不连续的光纤来保持。该现有技术具有某些缺陷，尤其是例如高价格和球的随机定位，其能在阵列显示器的像素中心处形成光学漫射中心，这不利地影响了显示器的外观。从而已经提出利用连续的衬垫来代替这种球，所述衬垫这样获得，通过在基片之一上沉积所需厚度的光致抗蚀剂材料层，然后将该层构造成所需衬垫的形状。后一技术是能够保证特定类型的液晶所必要的机械刚度的唯一技术。它还防止了上述光学漫射现象，该现象在衬垫能够选择性沉积在预先选择的位置、特别是像素外部的位置处的范围内损害衬垫的外观。而且，通过光刻构造的衬垫可以具有使两个基片能够装配到一起的粘附力。

从上文中可以理解，衬垫在具有本发明涉及的光学或电光激活介质的元件的正常工作中起特别决定性的作用。不幸地是，当这些衬垫由光致抗蚀剂构成时，它们在密封框的丝网印刷沉积期间将彻底损坏。

密封框的丝网印刷沉积技术的另一重大缺陷在于很难精确地控制框架的最终尺寸。实际上，当将顶部基片施加到底部基片上时，密封材料受到压缩并由于所受压力的作用倾向于分散开，以至于密封框的宽度一般仅能控制在十分之一毫米量级的精度。此外，通过丝网印刷沉积的密封框的与液晶接触的内隔板通常具有不规则形状，以至于框架必须设置在远离电极的充足距离处以防止框架与电极重叠。如果形成连接的元件边缘和元件的实际有效区域之间具有足够大的空间，则这种情况可以接受。然而，一旦试图减小为连接技术预留的静区尺寸以便优化元件显示区域的表面或解决体积庞大的问题，由丝网印刷技术提供的精确度则不再足够。

最后，本发明还涉及以受控方式引导液流的流体类微型系统，如压力传感器、微型泵或者甚至微型混合器。实际上，这些微型结构与液晶显示元件和电化学光电元件具有许多类似之处。特别是，它们包括彼此分隔恒定距离并且在其间设置沟道的两个基片。在其内部具有液体或气态流体流动的这些沟道常规地在所述基片体上蚀刻。在例如通过阳极焊接装配基片期间，用于制造所述基片的材料的性质通常增加大的约束条件，特别是在焊接温度和施加的电压方面。这些约束条件对在焊接前已经沉积在基片上的结构可能是有害的。

发明内容

本发明的一个目的是通过提供一种尤其是液晶显示元件的制造方法，该方法容易实现并且尤其限制了对已沉积在元件中的组件的损坏的风险，克服上述及其它问题。

本发明还涉及用于实现根据本发明方法的具有光学或化学激活介质的装置。

从而，根据第一方面，本发明涉及一种制造至少一种限定用于保持流体或感光材料的容积的装置的方法，所述流体或感光材料能够通过施加电压改变物理特性特别是光学特性，或者通过施加应力或辐射改变电特性，该装置包括彼此保持恒定距离的至少第一正面基片和至少第二背面基片，这两个基片通过密封接合而接合，限定用于保持感光介质或流体的容积，

该方法的特征在于，其包括下述步骤：

在基片之一上构造至少一个壁，其通过其内侧面限定用于保持感光介质或流体的容积；

将第二基片接合到第一基片上；

引入能够流入由壁的外侧面和两个叠置的基片限定的间隙的密封材料，直到所述间隙的至少部分容积被密封材料填充；以及

固化密封材料以使其形成密封接合。

由于这些特征，本发明提供了一种制造尤其例如液晶显示元件的装置的方法，所述方法能够使预先沉积的易碎结构如连接元件嵌入到密封材料中，从而大大地限制了损坏这种结构的风险。这种结果还是很难通过丝网印刷得到，而不会产生局部过厚的任何风险，所述局部过厚在随后的对其的装配期间将不可避免地导致两个基片之间的不精确间隔。

根据本发明方法的第一实施例，在基片之一上沉积光致抗蚀剂材料层，然后通过光刻技术构造所述光致抗蚀剂材料以形成一个或几个壁的形状。

本发明从而基于在制造如液晶显示元件的元件的领域中通常使用的简单技术。因此这些技术是完全公知的。特别是，根据本发明的方法使密封框的宽度以及与液晶接触的所述框架的内隔板定位能够得到高精度地控制，这在丝网印刷类的方法中是不能实现的。此外，本发明基于的光刻技术在实施时不产生任何机械应力，这对已经沉积的元件组件是非常有利的，这些组件在制造期间不再可能受到损坏或磨损。

根据本发明方法的第二实施例，通过丝网印刷构成一个或多个壁。

实际上，如果不需要以高精度制造所述壁，例如当有足够的空间可用于制造液晶元件的连接区域时，仍可以使用丝网印刷类的方法。

根据本发明方法的又一实施例，利用注射型光致抗蚀剂材料分配器形成所述壁。

根据本发明另一特征，将光致抗蚀剂层构造成不仅形成一个或多个壁，还形成用于在元件的两个基片间保持恒定间隔的衬垫。

由于该另一特征，本发明使能够在单个制造步骤中构成衬垫和隔板，这显著地节省了时间和制造成本。尤其是，衬垫在随后的制造密封框的步骤期间不再像在现有技术中那样可能受到损坏。而且，利用相同的材料形成衬垫和隔板，这有利于进一步简化本方法。

根据第二方面，本发明涉及一种制造上述类型装置的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

在基片之一上构造由彼此相隔一定距离地延伸的两壁限定的至少一个填充沟道；

将第二基片接合到第一基片上；

引入能够流入填充沟道的密封材料，直到所述填充沟道的整个容积被填满，以及

固化密封材料以使其形成密封接合。

最后，本发明还涉及一种限定用于保持流体或感光材料的容积的装置，所述流体或感光材料能够通过施加电压改变其物理特性特别是光学特性，或者通过施加应力或辐射改变其电特性，该装置包括彼此保持恒定距离的至少第一正面基片和至少第二背面基片，这两个基片通过限定用于保持感光介质或流体的容积的密封接合而接合，该装置的特征在于，其包括由两壁限定的填充沟道，所述壁在形成其的基片的上方彼此相隔一定距离地延伸，至少一个与填充沟道相通的孔贯穿在基片之一中。

由于这个特征，可以不通过例如液晶元件的侧面，而是通过该元件的顶部来填充所述填充沟道。从而可以对一整批元件作用，而不必将成批元件分成多条以可以达到通常设置在元件一侧的填充孔。从而在切割前可以成批地实际完成元件。特别是，可以在整批元件上实现利用密封材料填充和密封密封输送孔以形成元件密封框，从而比在单个元件上实现的方式更简单和经济。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从以下结合所附附图、对根据本发明方法的实施例的详细描述中更加清楚，所述实施例仅作为非限制性说明，其中：

图1为元件的俯视图，其中示出了接收流体密封材料以形成所述元件的密封框的填充沟道和相应的密封材料送料孔；

图2是图1所示元件的透视图，为了清楚省略了顶部玻璃基片；

图3为顶部基片的部分切开透视图，示出了由两个叠置的基片和根据本发明的方法制造的壁的外表面限定的容积；

图4是压阻压力传感器类流体微型系统的示意图；

图5是微型泵类流体微型系统的纵向截面图；

图6是图5所示微型泵的俯视图；

图7是一组液晶元件的俯视图；以及

图8是一组元件的局部示图，其中的两个元件共用填充沟道的一边。

具体实施方式

本发明从总的创造性构思出发，在于提出了一种制造密封框的新方法，该密封框通常接合显示元件特别是液晶元件或者电化学光电元件的底和顶部基片。根据该新方法，由光刻技术替代通过丝网印刷沉积密封框的技术，其中丝网印刷通常发生在预先的元件制造阶段并产生对已沉积的相邻元件结构有害的机械应力，而光刻技术不产生任何特殊应力，并且尤其能够使衬垫和接收流体密封材料的填充沟道同时构成，所述密封材料在固化后形成所需密封框。本发明还提供一种用于装配和密封流体类微型系统的基片的新技术。

本发明将结合液晶显示元件描述。当然本发明不局限于这类元件，它还可以应用于包括光学激活介质的任何类显示元件、以及在本专利申请上文中所描述的电化学光电元件类。同样，本发明还应用于流体类微型系统。

图1是液晶元件2在制造期间的平面图，该元件通过两个叠置的例如为玻璃基片的基片4和6的组件形成，其中正面基片4是透明的，而背面基片6可以是透明或不透明的。

从图1中可以看出，元件2限定包含液晶的空腔8，空腔8由基片4和6与密封壁10和12限定，用于接收将所述基片4和6彼此固定的密封材料，如下文中详细描述。空腔8还包含多个结构或间隔条14，用于在元件2的整个范围上保持基片4和6之间的恒定距离，以及为元件提供适当的机械刚性。最后，在正面基片4上形成用于对空腔8填充液晶的孔16、和至少一个用于供给密封材料的孔18。

在图1所示实施例中，可以看出密封壁10沿着两个叠置的玻璃基片4和6之间的外部轮廓，而壁12沿着液晶元件2的内部轮廓，以至于外壁10围绕内壁12。因此，这些壁10和12采取平行于彼此地延伸的、基本垂直的隔板的形式，壁10与外部空气直接接触，壁12与液晶直接接触。它们有利地形成填充沟道20，其在图1中可以看出且在图2中更清楚。在沟道20中填充密封材料以形成元件2的密封框，并且这在根据本发明的大规模元件制造中将尤其有利。

当然，应当理解可以省略壁10，仅保留与液晶接触的壁12。在这种情况下，在构造所述壁12和在底部基片6上放置顶部基片后，将密封材料引入由壁12的外侧面和两个叠置基片4和6所限定的间隙22中，直到所述间隙22的至少部分容积由所述密封材料填充，如图3所示。

该操作可以利用密封材料分配器来实现。分配器将沿着两个基片4和6的至少部分边缘移动，以形成密封材料带26，其通过邻接壁12的外侧面并接合所述两个基片4和6从而形成密封框。密封框26不必延伸到两个基片4和6的边缘。仅需要足够的宽度以起到密封框的作用，即，将感光材料与外部环境隔离以防止感光材料泄露到元件外部、并将两个基片4和6保持在一起。

为了沉积密封材料带26，也可以将由两个叠置基片4和6限定的元件2的边缘之一浸入到包含一定量密封材料的容器中。通过毛细作用，密封材料将逐渐填充位于壁12周边外的空容积22。另一种可能性在于在两个基片4和6之间通过在壁12周边外贯穿所述基片4或6之一中的填充孔来注入密封材料。

根据本发明，在两个基片4或6之一的内表面上沉积对于即将形成的元件2的适当操作所必要的所有结构(例如电极或对准层)后，对基片涂敷光致抗蚀剂材料层。然后，通过常规光刻技术构造光致抗蚀剂层以使其具有前述的由壁10和12限定的填充沟道20的形式。一旦形成填充沟道20，将另一个适当预备的基片接合到第一基片上。根据一个变形，还可以设想在基片4或6之一上构造壁10，而在另一基片上构造壁12。

根据该方法的变形，构造光致抗蚀剂层以便不仅形成填充沟道20，而且形成衬垫14，用于在两个基片4和6之间保持恒定的距离。由于本发明，从而可以在单个制造步骤中构造间隔结构和填充沟道。通过这种方法不仅节省时间和成本，并且，根据本发明方法的该实施例的另一优点在于，由于衬垫和密封框以相伴的方式制造，因此，所述衬垫在随后的制造密封框的步骤期间将不象在现有技术中那样易于受到损坏。最后，填充沟道和衬垫采用同样的材料制成，这进一步简化了本方法。

在本发明的范围中使用的光刻技术为常规类型，对本领域的技术人员是公知的。其基本上在于，通过使光通过再现感光区域形状的掩模的透明区域而感光光致抗蚀剂层。关于光致抗蚀剂材料，也非常常规地为光敏树脂，本领域的技术人员将可以没有任何困难的选择，并且该材料通常的目的是在光学辐射感光和化学去除将被刻蚀的区域后，保护将被刻蚀的层的表面在树脂存在的位置免受化学试剂的作用。可以引入来自Dow Chemical的光敏甲基环戊烯醇酮(cyclotene)和由MicroChem Corp.销售的SU8产品作为非常适于制造壁10和12的材料。

当然，如果密封框的定位要求没有那么严格，则密封框可以通过丝网印刷或使用注射型分配器，更一般的，使用任何选择性印刷技术如胶版印刷或喷墨印刷来构成，本领域的技术人员可以毫无困难地选择这些印刷技术。

如前所述，在构造限定填充沟道20的密封壁10和12以及其中合适的衬垫14后，接合两个基片4和6。然后可以填充所述沟道20。为了实现这一点，开始在制造元件2的工作封闭空间中建立真空。一旦建立真空，在与填充沟道20相通的孔18上沉积少量密封材料。通过毛细作用，密封材料开始流进沟道20中。然后，在工作封闭空间中重新建立大气压。通过其中主要是高真空的填充沟道和大气压之间的压差，将密封材料推到填充沟道的底部。应当注意，由于填充沟道20的长度根据元件2的几何结构可能较长，因此可以通过壁将其分成相互隔离的两个或多个沟道，并且每个沟道由相应的填充孔18填充，以便缩短密封材料到达沟道底部必须经过的路程。当然，根据变形，也可以在外壁10中形成至少一个填充孔。

一般，用于密封元件2的材料是感光树脂，将其以液态引入填充沟道20，然后利用通过顶部基片4的紫外光感光使其聚合。密封材料必须密封地封住元件2的边缘，以便有效地保持液晶和保护其免受来自周围环境的气体扩散现象的影响。密封材料还必须具有粘附力以便它能够将两个基片4和6保持在一起。作为变形，密封材料也可以通过树脂形成，该树脂经由工作封闭空间中的温度升高发生聚合。双成分粘合剂也可以用作密封材料，当其两成分彼此共存时，其成分经过一段时间或通过温度升高发生硬化。可以引入产品Loctite 3492和Norland Optical Adhesives 61用作非常适于制造密封框的材料。氰基丙烯酸酯粘合剂形成另一类非常适于本发明要求的粘合剂。最后热塑性树脂也可以在本发明的范围内使用。

一旦将密封材料引入填充沟道20然后固化，可以通过填充孔16将液晶引入元件2。有利地，可以一个接一个地或同时在相同的机器中实现密封材料的引入、其聚合，然后引入液晶的步骤。最后，堵塞液晶填充孔16和紧邻填充孔16的间隙28，以便实现与壁12的最接近部分的密封连续性，从而完全密封元件2的整个边缘。最后，还可以在基片4和6上沉积附加层如起偏器。

本发明还应用于微型系统或MEMS，如图4中的截面图所示的压阻压力传感器。整体标记为标号30的传感器由底部基片32组成，其中设置了必须测量其压力的流体送料管。管34展开成在顶部基片38的厚度中形成的空腔36以形成隔膜40，其形成对将要测量的压力变化敏感的元件。经由这种压力变化，隔膜和设置在顶部基片38外表面上的压阻元件42将变形。通过变形，压阻元件将产生表示流体压力的电信号，该信号可以通过电子数据处理电路得到利用。

根据本发明，通过任何合适的技术例如优选光刻或丝网印刷在底部基片32上构成至少一壁44。然后在底部基片32上放置顶部基片38，然后将密封材料带46引入由所述两个基片32和38和壁44的与压力传感器30的内部有效容积相对的外表面所限定的空间。通过分配器、或者通过将压力传感器30的边缘之一浸入充满密封材料的容器中、或者经由在壁44周边外部贯穿通过两个基片32或38之一的孔，可以将密封材料引入两个基片32和38之间的自由空间。

当然，也可以设想这样的情况，其中在例如底部基片32上构成两壁，所述壁彼此相隔一定距离平行延伸，以限定填充沟道，在两个基片32和38组装后，经由贯穿通过所述两个基片32或38之一的、并与填充沟道相通的填充孔将密封材料引入所述填充沟道。

本发明有利地摆脱了在微型系统制造中经常遇到的与基片性质相联系的约束。实际上，目前，一种情况为两个基片由相同材料例如硅制成，在该情况下，它们通过高温下在-OH基之间发生的化学反应直接焊接到一起，所述-OH基存在于初始氧化层中或者通过覆盖所述两个硅基片的生长得到。或者另一种情况为基片之一由硅制成，而另一个一般由派热克斯玻璃(Pyrex^)制成，在这种情况下，必须使用阳极焊接，也称作静电焊接，其实现温度在180℃和350℃之间，电压在200至1000伏的量级。然而，由于本发明，在类似于通过密封材料带的简单粘附的操作范围内，可以接合两个基片，而与其各自的性质无关。而且，本发明可以不需加热或施加电压地实现，这给将沉积在基片上的材料的选择留下了很大的自由度。相反，焊接两个例如由硅制成的基片，焊接温度将达到1000℃。在该情况下，选定用于沉积在基片上的材料必须能够抵抗这样的温度。尽管谨慎选择了这种材料，但是薄层发生氧化或在基片之一的容积中形成的隔膜发生偏移并粘附到另一基片上的情况并不罕见。

本发明还允许由表面微切削加工步骤替代在基片体中的微切削加工步骤。实际上，由于本发明，不必在基片的厚度中设置多个沟道，而仅需在分隔所述两个基片和由壁限定的密封容积中设置沟道。

图5和6分别是泵类微型系统的截面图和俯视图。整体标记为标号48的微型泵具有不包括任何阀的特征。它由其中设置了流体送料管52和排料管54的底部基片50组成。在顶部基片56上设置有通过例如压阻元件60的控制而能够变化容积的致动室58。从图6中可以看出，致动室58与送料和排料管52和54分别经由两个颈状部分62和64连通。这样，例如当致动室58容积减小时，由于所述送料管52的一侧上存在较高的流体阻力，因此排出的流体更容易通过排料管54而不是通过送料管52排出。

根据本发明，优选但不排他地通过光刻在例如底部基片50上设置壁66。壁66限定送料和排料管52和54与致动室的连接的空腔68和70。如结合图4描述的示例，在两基片50和56与壁66的外表面之间的不与流体接触的剩余空间由密封材料带72填充。当然，正如前所述，也可以设想在两个基片之一的表面上构造相隔一定距离平行延伸的两壁。这两壁从而限定填充沟道，所述沟道将经由通过所述基片之一的填充孔填充密封材料。

当然，本发明并不限于上述实施例，在不偏离本发明的范围内可以设多种简单的替换和变形。特别是，本发明以相同的方式应用于这样的元件，所述元件包括多于两个例如四个基片，所述基片通过根据本发明的密封框成对地接合，并在其上形成限定用于保持感光材料或流体的容积的至少一壁；以及填充两个基片间间隙的密封材料带。

同样，本发明以类似方式应用于如图7所示的元件的大规模制造方法中。该组元件包括对所有元件2共有的两块板74和76和网状密封壁10和12，所述壁对每个元件2限定封闭液晶的空腔、以及将被填充密封材料以连接两块板74和76并形成所述元件2的密封框架的填充沟道20。有利地，在上板74中形成用于对空腔8填充液晶的第一组多个孔16和用于供给密封材料的第二组多个孔18。由于该特征，不通过例如液晶单元的侧面而是从其顶部填充填充沟道20是可能的。从而可以对整批元件进行操作，而不必将该组分成多条以可以达到通常设置在元件一侧的填充孔。从而在切割之前可以成批地实际完成所述元件。特别是，可以用形成元件的密封框的密封材料填充并密封整批元件的送料孔，从而比单个元件的方式更简单和经济。同样，当元件仍然成批时，可以对元件2填充液晶以及堵塞填充孔16。

根据图8所示的变形，填充沟道20可以对两个或多个元件2是共有的。当分离元件时，图中虚线所示的切割线将基本通过填充沟道的每边的中间。