閃耀光柵數(shù)字微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動仿真

　　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)動電路驅(qū)動每個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以及不可見波長的光線經(jīng)過成像鏡頭后形成彩色畫面。

　　微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

　　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)致畫面色彩的偏離。當(dāng)微鏡總像素尺度較小時，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，這無疑會增加光源系統(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)動方式有關(guān)。在MEMS系統(tǒng)中，最為高效的驅(qū)動方式為靜電驅(qū)動。通過在兩塊板上施加電壓，可以在板間形成靜電場，兩片板間的靜電力由以下公式計算。

　　式中，er為相對介電常數(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，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，梳狀致動器被廣泛采用。通常，梳狀致動器需耗用較大硅面積，對于像素陣列而言，這將極大降低填充率，無法形成可以接受的顯示畫面。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)動電壓

　　從靜電力公式還可以看到，靜電力的大小與驅(qū)動電壓的平方成正比。提高驅(qū)動電壓可以有效地提高靜電力。對于便攜應(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)動電壓顯然不適合用于移動應(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通過光柵節(jié)距的變化來實現(xiàn)光線的空間調(diào)制不同，閃耀光柵微鏡是通過微鏡的偏轉(zhuǎn)，使入射光線的入射角發(fā)生變化來實現(xiàn)光線的空間調(diào)制。微鏡的偏轉(zhuǎn)主要有變形、移動、活塞和扭轉(zhuǎn)等方式。變形、移動和活塞方式通常利用材料的變形來產(chǎn)生，例如，在壓電或聚合材料上施加電壓時，能使這些材料產(chǎn)生較大尺度的變形，經(jīng)過運(yùn)動機(jī)構(gòu)的作用，使材料變形轉(zhuǎn)變?yōu)殓R面的轉(zhuǎn)動。在以上方式中，扭轉(zhuǎn)軸方式以響應(yīng)速度快、黏結(jié)性低、無磨損的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。扭轉(zhuǎn)微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮的主要內(nèi)容是要能夠用盡可能低的驅(qū)動電壓達(dá)到所需偏轉(zhuǎn)角度的同時，還需保證特定材料的幾何結(jié)構(gòu)能通過剪切應(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)軸長度、材質(zhì)特性以及施加的力矩。在材料以及驅(qū)動靜電力確定的情況下，扭轉(zhuǎn)軸的截面尺寸和長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，相同的驅(qū)動電壓下可以得到較大的扭軸轉(zhuǎn)角。對于給定的扭矩和材料，計算出滿足所需轉(zhuǎn)角的幾何尺寸后，還需利用計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，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)計的一個重要基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)設(shè)計須基于所采用的工藝制程來展開，不能將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計的傳統(tǒng)加工方法應(yīng)用到微機(jī)械的設(shè)計上。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)線來生產(chǎn)。為降低試制成本，也可以先設(shè)計640×480VGA標(biāo)準(zhǔn)的顯示器，這樣，就可選用我國普遍具備的6英寸晶圓生產(chǎn)線的0.5微米工藝來實施制造。

　　幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　就理想情況而言，控制驅(qū)動電壓的大小即可得到微鏡的不同轉(zhuǎn)角，進(jìn)而得到不同的像素單元色彩，這也可稱為單像素全彩色模擬方式。采用單像素全彩色模擬方式工作還是以數(shù)字方式工作，取決于技術(shù)實現(xiàn)的可能性和制造的難易程度。從電壓控制技術(shù)來說，以數(shù)字方式實現(xiàn)電壓的精確細(xì)分是較為容易實現(xiàn)的，然而，對于被控對象的光柵微鏡，由于部件尺寸極小，制造過程完全是基于蝕刻和淀積工藝來形成部件的幾何結(jié)構(gòu)。在加工過程中，工作溫度、氣體攙雜濃度、環(huán)境壓力以及每個工藝過程加工時間的微小差別，都會造成各個零部件結(jié)構(gòu)的差異，這些差異的存在將會使精確控制變得極其困難。相反，采用純數(shù)字方式，以子像素的方式來實現(xiàn)彩色顯示則會容易得多。使用數(shù)字方式工作時，只需讓微鏡轉(zhuǎn)動到產(chǎn)生R、G、B以及黑色的四個固定位置即可。這樣，偏轉(zhuǎn)角度的控制就由電壓細(xì)分的模擬方式變成了由幾何結(jié)構(gòu)來控制的數(shù)字方式。此時，驅(qū)動電壓只需是一個能使微鏡偏轉(zhuǎn)到最大偏轉(zhuǎn)角的固定值即可。

　　采用數(shù)字方式工作時，一個像素單元由三個子像素組成，通過設(shè)計微鏡結(jié)構(gòu)尺寸的細(xì)小差異，使每個子像素偏轉(zhuǎn)到產(chǎn)生R、G、B以及黑色的四個固定位置時被限位，以達(dá)到偏轉(zhuǎn)角精確定位的目的。通過控制每個子像素微鏡偏轉(zhuǎn)到指定位置后的停留時間，可產(chǎn)生不同基色的不同的亮度，不同亮度基色的不同組合，即可構(gòu)成像素單元的真彩色。

　　根據(jù)上述考慮，閃耀光柵微鏡的每一個像素單元由三個子像素構(gòu)成。每個子像素長20微米，寬6微米，子像素間距0.8微米，每個像素單元的邊長為20微米。像素單元間距為0.5微米時，1024×768個像素單元的對角線尺寸為1.033英寸。產(chǎn)生對角線為1英寸矩形面積的平行強(qiáng)光是容易實現(xiàn)的。

　　通常的扭轉(zhuǎn)軸微鏡可以有三個固定的位置，比如TI公司的DMD微鏡可以處于0°、+12°、-12°三個位置。而閃耀光柵微鏡至少要偏轉(zhuǎn)到四個固定的位置才能滿足比傳統(tǒng)顯示模式具有更高分辨率、更高亮度的成像要求。如何產(chǎn)生第四個位置并準(zhǔn)確限位，是一個充分發(fā)揮想象力的問題。通常的做法可以采用曲柄滑塊、柔性關(guān)節(jié)、連桿機(jī)構(gòu)等方式實現(xiàn)，然而，在有限面積的限制下，這些方案都不適用，較好的辦法是向空間發(fā)展，用多層致動結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生多個偏轉(zhuǎn)限定位置。如圖1所示。

　　圖1所示的微鏡結(jié)構(gòu)包含了兩個處于不同層面的致動板，第一層致動板與支撐柱相鄰的兩個驅(qū)動電極構(gòu)成紅光驅(qū)動電極和蘭光驅(qū)動電極，第二層致動板與第一層致動板剛性聯(lián)接，閃耀光柵板剛性聯(lián)接在第二層致動板上。第一層致動板偏轉(zhuǎn)帶動第二層致動板偏轉(zhuǎn)。第一層致動板偏轉(zhuǎn)到位時，致動板邊緣的著陸簧片觸及著陸盤，限定偏轉(zhuǎn)角。同時，第二層致動板與黑光電極的距離減小，當(dāng)在黑光電極上施加電壓時，第二致動板再次偏轉(zhuǎn)一個角度，直至邊緣的著陸簧片觸及著陸盤為止。不同的驅(qū)動時刻在不同的電極板上施加約束電壓可以避免振動造成誤偏轉(zhuǎn)。

　　驅(qū)動和應(yīng)力仿真

　　初步設(shè)計的微鏡結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)到指定位置時需要多高的驅(qū)動電壓，在施加相應(yīng)電壓時，扭轉(zhuǎn)軸以及微鏡結(jié)構(gòu)的受力情況如何，剪切應(yīng)力是否處于材料的允許范圍內(nèi)。這些問題，可以借助MEMS的專用設(shè)計軟件來分析和解決。

　　CoventorWare是目前世界上功能最強(qiáng)、規(guī)模最大的MEMS專用軟件。擁有幾十個專業(yè)模塊，功能包含MEMS器件/系統(tǒng)的設(shè)計、工藝和仿真。利用該軟件的扭轉(zhuǎn)微鏡模型可以容易地實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)微鏡的快速分析和仿真。圖2所示為利用CoventorWare2005軟件對初始設(shè)計的微鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格分割的圖形。仿真后得出，要達(dá)到所設(shè)計的偏轉(zhuǎn)角，驅(qū)動電壓需高達(dá)150V。對于便攜應(yīng)用而言，該電壓顯然是不合適的。為降低驅(qū)動電壓，對微鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

　　與初始結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的電極為多層分布，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)由圖3所示。

　　采取多層致動板結(jié)構(gòu)后，使得在很小的面積條件下取得了很高的填充率。同時，驅(qū)動電壓也大大降低，扭轉(zhuǎn)軸所受到的剪切應(yīng)力也大為減小。圖4為9V驅(qū)動時，微鏡結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖，從圖上可以看到，扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力已降低到了很低的程度。

　　圖5所示為施加9V驅(qū)動電壓時微鏡的偏轉(zhuǎn)位移模擬仿真結(jié)果。仿真表明，9V驅(qū)動時，偏轉(zhuǎn)的位移值已超過所需的位移值，滿足了便攜應(yīng)用的要求。現(xiàn)有LCD驅(qū)動芯片的驅(qū)動電壓通?？梢愿哌_(dá)20V以上，用來驅(qū)動光柵微鏡，已綽綽有余。采用傳統(tǒng)的每一子像素僅一種基色的工作模式時，可以利用現(xiàn)有的LCD驅(qū)動和控制技術(shù)來實現(xiàn)閃耀光柵數(shù)字微鏡的彩色顯示。

　　閃耀光柵數(shù)字微鏡的模擬仿真，得到了愛梅格計算機(jī)輔助工程有限公司(IMAG獨(dú)資公司)覃裕平經(jīng)理的熱情幫助和耐心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝！■

　　參考文獻(xiàn)：

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