閃耀光柵數(shù)字微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)

基于MEMS的閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)是一種全新的顯示技術(shù), 它的基本工作原理為：平行的復(fù)合白色光線以固定的入射角照射在閃耀光柵微鏡陣列上，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)每個(gè)像素單元的閃耀光柵微鏡偏轉(zhuǎn)不同角度，在特定的衍射方向上得到的R、G、B以及不可見(jiàn)波長(zhǎng)的光線經(jīng)過(guò)成像鏡頭后形成彩色畫(huà)面。

微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)的核心部件是閃耀光柵數(shù)字微鏡。要達(dá)到便攜應(yīng)用和投影應(yīng)用的目的，閃耀光柵數(shù)字微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下基本要求。

盡可能減小顯示單元的尺寸

為了得到準(zhǔn)確的基色，要求入射的復(fù)合白色光線在微鏡總像素尺度范圍內(nèi)保持平行，否則，由于入射光線的角度偏差，將導(dǎo)致畫(huà)面色彩的偏離。當(dāng)微鏡總像素尺度較小時(shí)，容易得到理想的、具有較強(qiáng)亮度的平行照射光線。若增加像素單元尺寸，需要更大面積的平行強(qiáng)光，這無(wú)疑會(huì)增加光源系統(tǒng)的功率和制造成本。

盡可能提高像素的填充率

閃耀光柵數(shù)字微鏡的填充率主要取決于像素間距，而像素間距的大小又與驅(qū)動(dòng)方式有關(guān)。在MEMS系統(tǒng)中，最為高效的驅(qū)動(dòng)方式為靜電驅(qū)動(dòng)。通過(guò)在兩塊板上施加電壓，可以在板間形成靜電場(chǎng)，兩片板間的靜電力由以下公式計(jì)算。

式中，er為相對(duì)介電常數(shù)，eo為自由空間介電常數(shù)，W是電極板的寬，L是電極板長(zhǎng)，d是電極板間的距離，V為施加于電極板之間的電壓，是垂直于電極板的靜電力。

從以上公式可知，靜電力的大小與電極板之間的距離平方成反比，與電極板的面積成正比，降低板間距離和增加電極板面積都能增加靜電力。梳狀電極是增加面積的常用方式，在單鏡以及掃描鏡成像方式中，梳狀致動(dòng)器被廣泛采用。通常，梳狀致動(dòng)器需耗用較大硅面積，對(duì)于像素陣列而言，這將極大降低填充率，無(wú)法形成可以接受的顯示畫(huà)面。提高靜電力的更好辦法是盡可能降低電極板之間的距離。

采用盡可能低的驅(qū)動(dòng)電壓

從靜電力公式還可以看到，靜電力的大小與驅(qū)動(dòng)電壓的平方成正比。提高驅(qū)動(dòng)電壓可以有效地提高靜電力。對(duì)于便攜應(yīng)用，電源通常是鋰電池，輸出電壓多為十伏以內(nèi)。這就要求微鏡的驅(qū)動(dòng)電壓也必須與之相適應(yīng)，基于固定應(yīng)用的220V電壓驅(qū)動(dòng)電壓顯然不適合用于移動(dòng)應(yīng)用中。

確定的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)要確保微鏡具有足夠的強(qiáng)度和壽命

與GLV通過(guò)光柵節(jié)距的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)光線的空間調(diào)制不同，閃耀光柵微鏡是通過(guò)微鏡的偏轉(zhuǎn)，使入射光線的入射角發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)光線的空間調(diào)制。微鏡的偏轉(zhuǎn)主要有變形、移動(dòng)、活塞和扭轉(zhuǎn)等方式。變形、移動(dòng)和活塞方式通常利用材料的變形來(lái)產(chǎn)生，例如，在壓電或聚合材料上施加電壓時(shí)，能使這些材料產(chǎn)生較大尺度的變形，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用，使材料變形轉(zhuǎn)變?yōu)殓R面的轉(zhuǎn)動(dòng)。在以上方式中，扭轉(zhuǎn)軸方式以響應(yīng)速度快、黏結(jié)性低、無(wú)磨損的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。扭轉(zhuǎn)微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的主要內(nèi)容是要能夠用盡可能低的驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到所需偏轉(zhuǎn)角度的同時(shí)，還需保證特定材料的幾何結(jié)構(gòu)能通過(guò)剪切應(yīng)力的校核。

根據(jù)材料力學(xué)，矩形截面扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角由以下公式確定：

式中，T為電極板產(chǎn)生的靜電力引起的對(duì)于扭轉(zhuǎn)軸的扭矩，L為扭轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)到扭轉(zhuǎn)軸鏡面連接點(diǎn)的長(zhǎng)度，G為扭轉(zhuǎn)軸所用材料的剪切彈性模量，J為矩形截面扭轉(zhuǎn)軸的慣性矩。矩形截面扭轉(zhuǎn)軸的慣性矩J由以下公式確定。

式中，a,b分別是扭轉(zhuǎn)軸矩形截面的高和寬

從扭轉(zhuǎn)角公式可以看到，扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角度取決于材料的剪切彈性摸量、扭轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度、材質(zhì)特性以及施加的力矩。在材料以及驅(qū)動(dòng)靜電力確定的情況下，扭轉(zhuǎn)軸的截面尺寸和長(zhǎng)度在很大程度上影響了扭轉(zhuǎn)角的大小。當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)剛度GJ變小時(shí)，相同的驅(qū)動(dòng)電壓下可以得到較大的扭軸轉(zhuǎn)角。對(duì)于給定的扭矩和材料，計(jì)算出滿足所需轉(zhuǎn)角的幾何尺寸后，還需利用計(jì)算出的幾何尺寸反算扭轉(zhuǎn)軸的剪切應(yīng)力，只有當(dāng)剪切應(yīng)力在材料的許可范圍內(nèi)時(shí)，才能保證扭轉(zhuǎn)軸具有可靠的壽命。

滿足現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝制程

微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須基于所采用的工藝制程來(lái)展開(kāi)，不能將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)加工方法應(yīng)用到微機(jī)械的設(shè)計(jì)上。微鏡結(jié)構(gòu)擬訂的工藝制程為表面加工技術(shù)。為了達(dá)到較高的1024×768的分辨率，最好采用0.13微米的工藝，這需采用8英寸晶圓的生產(chǎn)線來(lái)生產(chǎn)。為降低試制成本，也可以先設(shè)計(jì)640×480VGA標(biāo)準(zhǔn)的顯示器，這樣，就可選用我國(guó)普遍具備的6英寸晶圓生產(chǎn)線的0.5微米工藝來(lái)實(shí)施制造。