数字微镜

数字微镜一、概述数字微镜装置(DigitalMicromirrorDevices，简称DMD)是用数字电压信号控制微镜片执行机械运动来实现光学功能的装置.DMD的研究具有微机械、微电子、材料、信息处理、自动控制、光学和微米制造技术等多学科知识交叉的特征，是微米/纳米技术和微型机电系统理论在投影设备领域的具体应用.数字微镜装置是DMD投影设备的主要部件，通过控制徽镜片绕固定轴的旋转运动及时域响应将决定反射光的角度方向和停滞时间，从而决定屏幕上的图像及其对比度。当然，DMD的控制决不仅仅是一个如此简单的过程，DMD的工作过程是一个光、机、电一体化的协调过程.要实现具体的功能要求，必须完成对光路、微镜片运动、电路的协调控制。其中，对微反射镜运动的控制直接关系到图象质量的高低，是一个非常关键的中间环节。目前的硅微加工技术已经能够加工出符合工艺要求的高质量DMD芯片，在一个硅片上可一次制造成型几十万或上百万个微反射镜，并且镜片数量还可增加。对DMD的控制可采用常规的CMOSSRAM电路及其它的常规辅助电路，这样做既很好地利用了现有技术，又非常便于大规模生产，大大降低了成本。二、国内外现状美国德克萨斯仪器公司(TexasInstrumentsInc，简称TI)、Brookhaven国家实验室、California大学、Florida大学、Cornell大学、省理工学院(MIT)和日本的Saitama大学等都投入研究力量，研究具有高速光开关特性、高效数字光处理和优越控制性能的DMD及其应用，主要应用领域有光纤通信网络的路由器、衰减器和滤波器、数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、B-52飞机_上的多品平面光学显示器、快速原型制造系统和物体三维轮廓测量仪等方面。光纤通信是DMD另一个巨大的潜在应用领域，基于DMD工作的路由器在极小光损耗的情况下可使工作效率提高16倍，具有极强的产品竞争力。美国TI等公司在20世纪70年代末意识到DMD巨大的潜在应用价值，并开始研制薄膜微镜装置。TI经过十多年的研制、实验和改进，于80年代末占有全球垄断地位。1993年TI推出世界第一台DMD投影样机，并以专利形式陆续公开了其DMD芯片的微结构的大致形式。1996年DMD投影机进入商品市场。至1999年3月为止，TI的DMD组件销售超过13万片，每片约20美圆。1999年底日本应用TI技术生产的DMD投影仪，重约2.5kg，分辨率为1024x768，并已进入中国市场。目前，美国、日本、韩国、瑞典等国的多家公司都在研究DMD技术，并利用TI的DMD芯片开发新产品，将目标瞄准高清晰度电视市场和光纤通信市场。在基于DMD技术的光通信技术研究领域，朗讯公司(Lucent)独占鳌头，而其技术的保密程度更是十分严格。相比之下，国内在DMD技术方面的研究还几乎是一片空白，没有相关的研究报告或论文。DMD技术是下一代大屏幕、超大屏幕高清晰度电视的发展方向，DMD投影设备属光机电一体化产品，涉及微电子机械、自动控制、微电子技术、光学及精密机械等技术，其中数字微镜装置是整个微电子机械系统的研究核心。DMD的微结构类似于计算机的CPU，研制难度大，技术含量高，产品附加值高，是MEMS前沿研究中的一个热点。各种不同性能的DMD还在不断研究中，己研制的扭转型DMD的核心理论和关键技术从未公开，所能得到的只不过是一些概述性的资料。因此对DMD技术的研究工作具有很强的挑战性，需要从原理、技术可行性、功能要求细化等多方面着手。由于DMD投影设备有着巨大的潜在市场和良好的性能价格比，开展相关技术的研究在国内又具有开创性，在国际上也是微电子机械应用研究的前沿。因此，对该技术的研究意义重大。知识经济的内核是创新。结合我国现状，对DMD技术的研究存在着技术开发和产业化的创新机遇，该研究具有显著的多学科交叉、创新的特征。尽早开展对该项技术的基础研究，对建立新的经济增长点，争取数字电视机市场的竞争优势，有潜在的经济战略意义。目前DMD及相关技术还处在不断的研究和完善当中，对DMD技术进行研究，其目的就是期望能在将来的数字电视机市场占有一部分市场份额。谁先走一步，谁就可能在未来的竞争中处于优势地位。对DMD技术的研究同时也能够填补国内微电子机械技术研究及应用方面的一项空白，开创一个新的应用研究领域。一旦DMD投影电视真正商品化，不但会刺激经济和需求的增长，还会带来巨大而现实的经济效益。三、工作原理DMD芯片是DMD投影设备的核心部件，也是整个显示系统的枢纽坏节。DMD技术包括DMD芯片制造技术、控制电压序列的生成、CMOS电路的驱动、存储器时序、微镜片运动控制等，其中最关键的就是对微镜片的运动控制。微镜片可看成是系统的一个终极执行元件，微镜片运动控制的好坏直接关系到图像质量的稳定性等质量指标，系统其他部分需完成相应的辅助功能要求。微镜单元均建立在SRAMCMOS结构之上。每一个SRAM(静态随机存取存储器)存储单元是由标准的六晶体管电路构成，采用了标准的双阱、5V，0.8微米、双层金属镀膜工艺。镜片呈正方形，边长为16微米。对于每个微镜单元，一对寻址电极需要连接到其下方SRAM单元CMOS电路的电压互补端，所以每个微镜单元都有两个导电通道。系统依靠SRAM单元对每一个微镜进行寻址，并使用CMOS电路提供的静电力驱动微镜绕固定轴转动。DMD芯片上的微镜被划分成x-y二维阵列，对应于屏幕上的二维解析点。当驱动电压信号施加于镜面与对应电极之间时，微镜片上各极板的电压随之变化，镜面根据驱动电压的不同发生倾斜。这样，入射光就被微反射镜反射入光学透镜，再投影到屏幕上形成一个亮的像素。当微反射镜偏转到另一方向时，入射光被反射到光学透镜以外，使屏幕上显示出一个暗的像素。图1为微镜装置的工作原理图。图1微镜装置的工作原理图当控制信号序列被写入CMOS电路时，静电场能量和静电转矩也随之改变，导致镜片顺时针或逆时针转动。虽然镜片可以稳定在任意位置上，实际上系统只用到了微镜片+10和-10两个稳定状态(以微镜片平行于基底的位置作为0)，分别对应于二进制的“1”和“0”状态，也就是屏幕上像素点的“开”和“关”两个状态。系统要做的工作就是完成镜片在两个状态间的转换，分别为+10→-10、+10→+10、-10→+10、-10→+10。当微镜片做旋转运动到达+10或-10后，由于受到机械结构的限制和控制电压序列的作用，最终将稳定在该位置直到下一个控制电压序列到来。微镜片工作电压如图2所示，扼和反射镜片拥有相同的电位(二者固连在一起)，而两对寻址电极拥有不同的补偿电压。这样，寻址电极3与反射镜片之间、寻址电极4与反射镜片之间、寻址电极1与轭之间、寻址电极2与轭之间，由于电位不同而产生静电效应。各个寻址电极是固定不动的，因而轭和反射镜片由于左右两侧受到的静电力不同，导致其绕铰链轴向某一侧转动。图2微镜片工作电压示意图通过控制寻址电压1，2和偏离电压的大小，可以实现微反射镜稳定在10位置或向其它稳定状态的翻转。当然，为了能够兼容标准CMOS工艺，这三个电压均采用了标准电压一一0伏、5伏、7.5伏、24伏和-26伏。工作时，由控制电路向DMD芯片不断发送重复的偏离电压控制脉冲序列，配合不同的寻址电压脉冲序列来完成微反射镜的各种动作。图3是单个DMD单元的三维模型示意图。图3单个DMD单元的三维模型示意图四、工艺实现流程图4给出了DMD的制作工艺流程。首先采用双层金属和0.8um工艺制备CMOSSRAM，随即对这块硅圆片进行化学机械抛光（CMP），使圆片的表面平坦化。CMP处理是DMD制造中的关键步骤，它提供了一个平坦的衬底表面，保证了投影亮度的一致性和较高的对比度。在刻蚀与SRAM单元的两个互补电极相连的通孔后，再淀积一层铝，并形成所需的电极。随后是旋涂一层牺牲层，光刻出通孔，在后续的金属铝淀积中形成支柱；然后是溅射一层薄的金属铝(60nm)，这层金属图4DMD的制作工艺流程用来形成铰链，溅射后并不刻蚀，而是在上面直接淀积2SiO，再把2SiO刻出铰链的图形，做为掩膜以备后用；然后再溅射一层较厚的铝用来形成镜架，同样再淀积2SiO，并刻2SiO形成镜架的图，在铰链支柱和微镜寻址电极图形的掩蔽下用离子洗刻蚀铝。离子洗同时刻蚀镜架层和铰链层的金属铝，当铰链上的镜架层金属被刻蚀掉以后，由于2SiO层的掩膜作用，刻蚀在这里就停止了而其它不在这两2SiO层掩膜下的金属全被刻蚀掉了，这样一步刻蚀就完成了不同厚度的铰链和镜架的刻蚀，而且确保了铰链和镜架的可靠连接。去掉2SiO后再旋涂一层牺牲层，刻蚀通孔后再溅射铝，并刻出最终的反射微镜。最后是把这两层牺牲层去掉，形成一个可转动的悬空结构。五、应用及其优势现在的投影仪主要通过三种技术实现:DMD，LCD和CRT。CRT是最早出现最廉价的投影系统，但其固有体积大、能耗高的缺点阻碍其进一步发展。尤其是应用于大屏幕投影的HDTV时，荧光粉发光的亮度不足及其分辨率的限制更使其难有作为。在未来的发展中DMD与LCD之间将存在激烈的竟争。从分辨率、亮度、对比度、灰度级、色彩到响应速度，DMD都胜出一筹。DMD的像素点大小为16umX16um，而一般LCD像素点大小为40umX40um。在开口率上，早期的DMD就能达到了75%以上，新结构的DMD几乎全部都由微镜覆盖，开口率大大提高了，达到90%以上。而LCD的开口率一般在60～70%。比较二者显示的图像就可以看到LCD的像素间有明显的条纹，而DMD则基本看不出来了。另外由于DMD可以把90%的可见光都反射回去，而LCD由于偏振片的作用和液晶材料本身透光率的限制，只有小于50%的光能用于成像。结合透光率(反射率)和开口率两者的因素，DMD的亮度要大大优于LCD。如三片式的DMD现已达到2000屏面流明，屏幕对角线为1.5m。另外，由于亮度效率高，对比度就可以提高，现在的对比度已达到了100:1以上。在灰度级别上，LCD由于采用电压控制的模拟方式，受到数模转换的精度限制，而DMD采用全数字方式，只与广播制式------每幅图像的持续时间和镜面翻转的响应速度有关。以NTSC制式来说，一场时间为16.7ms，每一种基色至少应显示5.6ms。而DMD有小于20us开关时间(响应速度)，因此一个8位字长灰度级(256级)的单片系统就可以实现。并且可以产生256'种色彩。而三片系统还可以产生更大的灰度级，如10位字长或更多。这样高的灰度级别就可以完全真实地再现现实世界的丰富色彩了。由于DMD本身很小(如2.32cm)，就易于形成一个均匀的照明光源，而LCD要远大于这一尺寸(如3英寸)，照明光源就不易均匀，这样从亮度均匀性上来说，DMD也优于LCD。另外LCD对于工作环境的要求比较高，液晶材料较易受温度影响，而DMD是密闭封装，不但不易受温度的影响，而且DMD本身抗温度干扰能力就强，因此可靠性更高，对于DMD所做的操作测试表明，在大于1万亿次翻转后性能并没有下降，这相当于20年以上的使用寿命。DMD由于性能上的优越性，图像质量如同电影一样及其全数字化的特点，使其具有良好的市场前景，但其现阶段的主要问题是价格还相对昂贵。相信随着制造技术的不断成熟和大批量生产，从而会进一步降低价格，DMD必将最终成为投影系统的主流产品而应用于现代信息社会。