当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第七章 光学MEMS > 第4小节 影像再现I—反射器件 > 影像再现I—反射器件
我们今天来继续学习
光学MEMS里边另一个非常重要的部分
就是影像再现
影像再现从本质上讲 实际上是对投影的
幕布上进行调制的一个过程
或者对显示屏上进行调制的一个过程
那么这个调制主要是亮和暗的调制
当一个像素点显示为亮就是一个可见的
白色的光
显示为暗就是一个不可见的黑色的光
那么在这个时候就实现了对影像再现的
一个过程
通常来讲我们把MEMS领域里边
作为影像再现的器件称之为空间调制器件
空间调制器件的主要用途是通过可控的电信号
实现对光强 相位以及幅频等等的一些调制
那么调制的过程就产生了影像再现的过程
从本质上讲空间的影像再现就是一个
光调制的过程
那么按照工作原理我们把MEMS领域里
作为影像再现的器件可以分为反射器件
衍射器件和干涉器件这样三类
我们首先来看一下反射器件
反射器件里边最典型的代表就是
德州仪器公司所生产的数字微镜器件
那么我们把它简称为DMD
这个数字微镜器件实际上是一个大量的
单个微镜所组成的阵列
我们来看这幅图
这个里边包括了x方向和y方向一个海量的
一个微镜器件阵列
那么我们把这样的一个微镜器件阵列
封装在一个带有玻璃窗口的真空密封腔内
那么就实现了一个DMD器件
DMD器件最早从1977年德州仪器开始研发
到1986年左右完成了第一代原形
真正量产是1996年
那么德州仪器仅靠着这一个器件在
长达十余年的时间里一直保持着世界上
最大MEMS生产商的地位
我们来看一下DMD器件的结构
那么它从下到上包括三层结构
首先是一层器件的控制电极
上面是一个以扭转梁作为核心的可动的
机械结构层
最上边一层是一个反射的微镜
那么在工作的过程中通过对下面的
控制电极施压一定的驱动电压
可以通过电压产生的静电力来控制
扭转梁做左右的偏转
在偏转的过程中扭转梁就带动着镜面
也产生左右的偏转
由于微镜发生了偏转
那么入射光按照一定角度入射来以后
它的反射角度就会随着控制角度而发生变化
用这样的一个原理来实现对空间光的调制
从而实现影像的再现
我们来看一下
当在驱动的电极和扭转梁之间
施加一个静电场的时候
那么这个电场所产生的静电力
就会带动着扭转梁发生偏转
从而带动上面的微镜面产生偏转
扭转梁的偏转由两个位置决定
一个是向着顺时针的方向
那么我们把它叫做一个正的角度
一个是逆时针的方向
我们把它叫做一个负的角度
那么器件工作的时候只在正的10度到12度
和负的10度到12度之间进行偏转
并且在正的12度和负的12度
是两个工作的位置
那么其它的位置都是在达到两个工作位置
之前的过度位置
微镜的扭转
通过控制扭转梁的材料使它具有
很高的抗疲劳能力
那么目前DMD可以工作10的12次方
也就是如果按照每天工作10小时的话
工作30年都不会有可靠性的问题
这样的一个器件
在一个正的12度的位置入射光被反射以后
沿着微镜上面的孔径伸出出去
那么就实现了对远处屏幕上一个像素的照射
这时候这个像素表现为一个亮点
如果微镜工作在负12度的位置
那么入射光就会沿着另一个角度发射出去
我们来看如果另一个角度前面有一个
遮挡的光阑
那么就会把反射光挡住
而不让它照射到屏幕上去
这时候屏幕所对应的位置就是一个暗的图像
因此
通过改变微镜在正12度和负12度
两个角度上的工作
我们就可以把屏幕上的一个像素展示为
亮点或者展示为暗点
实际上对于真正工作的期间
我们不可能只需要它显示一个亮点和一个暗点
我们还需要亮和暗中间的灰度阶梯过程
那么阶梯过程是如何实现的呢
它并不是通过控制光的强度来实现
最暗和最亮之间的一个阶梯过程
而是通过控制微镜在某一个角度所驻留的时间
也就是反射光所积累的时间来控制亮暗
比如说它可以在最暗或者最亮的角度上
停留1024个阶梯
那么如果停留1/1024秒
这个时候所实现的亮点就是仅比最暗
高1/1024的一个阶梯
如果停留的时间是2/1024
那么显然这个点会变亮一点
如果停留的时间是1024/1024
那么这就是达到了最亮的极限
因此
整个调制亮暗的过程是一个脉宽调制的过程
这样我们通过调制微镜在亮或者暗两个
位置上的驻留时间就可以得到不同的灰度
从而实现了亮暗的同时
还有灰度的可调
接下来我们来看它是如何实现一个彩色的
如果一束光入射的是一个单色光
那么经过反射以后它也只是一个单色光
我们没办法来控制彩色的实现
如何用一个单色光来实现一个彩色的过程呢
那么我们需要在DMD和光源之间
施加一个三色的光轮
这个光轮由红绿蓝三个基础颜色
各占120度组成
那么当需要显示红色的时候由计算机的信号
来控制光轮旋转到红色对应着入射光的位置
那么这时候入射光被红色滤镜过滤以后
就产生了一束红光入射到DMD的表面
同样如果我想显示绿光
那么就把光轮旋转到绿色对应光源的位置
就可以了
这是一种办法
如果可以采用三个激光束作为入射光源的话
那么每一个激光束就可以采用一个单色的激光
这个时候不但控制系统变得更加简单了
而且由于多激光的引入会使亮度大幅度的提高
影像呈现的效果会更加绚烂 更加漂亮
DMD的制造过程是一个典型的
表面微加工的过程
我们在前面介绍表面微加工的工艺过程的时候
已经介绍了DMD
那么在这里边我们再做一个简单的回顾
DMD的扭转梁和它的反射镜面都是
以铝作为主要材料的
那么这个里边还掺杂了一些金属作为合金
比如说有分析表明扭转梁的里边
含有0.2%的钛和1%的硅
那么这些元素的引入会使扭转梁
具有更好的抗疲劳特性
我们来看具体的加工工艺过程
它一共包括六次光刻
首先
我们在做好了控制电路的衬底上
来制造一个牺牲层
在牺牲层的上方沉积一个金属扭转梁的层
在扭转梁上方再沉积刻蚀扭转梁
所需要的二氧化硅层
那么这个二氧化硅层通过光刻和刻蚀以后
把它定义成一个我们想要的位置
然后在上面来溅射一层金属的轭
那么这一层作为连接扭转梁和微镜的
一个表面层
接下来
我们再对这一层金属进行刻蚀
轭这一层刻蚀以后
同时也要刻蚀金属扭转梁上方的氧化层掩膜
那么使之各留两个很小的区域
那么这个很小的区域是连接扭转梁
和轭的一个区域
最后我们再把牺牲层去除以后
就得到了一个双层结构的DMD
我们从最后一幅图可以看出来
扭转梁连接着一个轭
那么轭同时连接着上方的微镜
微镜通过一个铸体结构连接在轭的表面上
因此当扭转梁扭转的时候
微镜的表面会随之一起扭转
DMD器件是一个非常复杂的一个工作过程
那么
如果想分析或者设计DMD器件
我们需要分析它的静力学和动力学两个方面
在静力学方面首先它是一个静电驱动
从我们前面学习到的知识可以知道
静电驱动力的大小是可以计算出来的
同时镜面在扭转梁的带动下发生扭转
又是一个机械的弹性回复过程
因此我们也可以把扭转梁在小角度扭转时
它的扭矩和转角的关系表示出来
像这个式子所示
于是我们把静电力和机械回复力相等
就可以按照我们前面分析静电驱动器的
一些方法来获得偏转电压
以及偏转电压的临界电压
当驱动电压超过这个临界电压的时候
那么偏转也会产生一个下拉的效应
这个下拉过程使镜面达到一个倾角
这个倾角恰恰是我们想要的
通常情况下
我们需要设计一个合适的倾角
在DMD这个器件中厂家设计的是
一个10度到12度左右的偏转
那么在10度和12度的时候
实际上是达到了它的一个下拉过程
因此在10度和12度是一个非常稳定的状态
我们来看驱动电压必须要大于整个器件的
下拉临界电压
这个时候使镜面和扭转梁同时只停留在
正负12度这两个相对稳定的角度上
我们把整个器件的动态工作过程
定义成两个部分
一个部分叫做crossover
另一个部分叫做stay
那么crossover它所对应的概念
像这幅曲线中所示的
是从最低端偏转到另一个最高端的时候
这样的一个过程
也就是器件从0度偏转到正负12度
这样的一个过程
这个过程决定了器件每秒钟能够偏转多少次
也就是动态的响应过程
也决定了脉宽调制灰度的时候
所能区分出来的台阶数量
另外一个当器件达到某一个稳定位置的时候
那么它的动态特性主要是惯性
以及外部的干扰都会产生它在该位置上
一个很小的扰动
那么这个扰动的过程我们把它
叫做stay的一个过程
因此对于DMD的分析我们需要
从两个过程来分析它
我们来看这一幅曲线
随着电压的升高
它和弹性回复力的交点在不断的变化
当它完全相切的时候电压就是我们所说的
临界电压
那么驱动的过程
驱动电压应当大于临界电压
这样在正负12度两个角度上
它的位置才是稳定的
那么DMD有很多的优点
首先它有极低的噪声
整个过程完全是光信号在传输
没有光电不断的转换
因此它的噪声很低
第二个它有一个非常精确的灰度等级
由于微镜在偏转的过程中
所需要的平衡时间很短
所以可以在一秒钟的时间内偏转非常多的次数
比如说可以偏转1024次
那么1024所对应的每一个时间段就可以
积累成一个脉宽调制
因此可以实现1024的灰度等级
另外一个它有很高的显示效率
这个显示效率主要表现在反射镜面的
反射效率比较高
因此
入射光大部分被反射回去
所以它需要的功耗相对也低
还有
由于每一个阵列的微镜像素与相邻的
像素之间只需要一个缝隙来
隔开光的串扰就可以了
所以像素之间的缝隙很小
那么就会使一个芯片的表面上主要的面积
都用来作为显示微镜所占用的面积
那么它可以达到90%以上的反射微镜覆盖率
同时它的可靠性也很高
那么目前可以实现的可靠性
超过了10的12次方的偏转
下面我们来看一个德州仪器公司
自己所制作一个动画片
那么在这个动画片中详细介绍了它的工作原理
特性和它的一些性能表现
DMD在影像再现领域里
取得了非常广泛的应用
那么很多的投影机和电视都采用了DMD技术
除此以外DMD还可以在汽车和飞机的
前视投影
3D影像和机器视觉以及无掩膜光刻
以及微型的投影等等
这样不同的领域有广泛的应用
特别是微型的投影近年来发展非常迅速
那么试图与手机相结合
来实现可便携的低功耗的投影设备
-第1小节 MEMS的定义
--MEMS的定义
-第1小节 MEMS的定义--作业
-第2小节 MEMS的应用领域
-第2小节 MEMS的应用领域--作业
-第3小节 MEMS的发展
--MSMS的发展
-第3小节 MEMS的发展--作业
-第4小节 MEMS的发展(续)
-第4小节 MEMS的发展(续)--作业
-第1小节 应力和应变
--应力与应变
-第1小节 应力和应变--作业
-第2小节 弹性梁
--弹性梁
-第2小节 弹性梁--作业
-第3小节 弹性梁(续)
--弹性梁(续)
-第3小节 弹性梁(续)--作业
-第4小节 薄板与流体的基本概念
-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业
-第5小节 流体的基本概念(续)
-第5小节 流体的基本概念(续)--作业
-第6小节 静电力
--静电力
-第6小节 静电力--作业
-第7小节 尺寸效应
--尺寸效应
-第7小节 尺寸效应--作业
-第1小节 MEMS光刻技术
--MEMS光刻技术
-第1小节 MEMS光刻技术--作业
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀
-- 体微加工技术—稳态深刻蚀
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业
-第1小节 表面微加工技术概述
-- 表面微加工技术概述
-第1小节 表面微加工技术概述--作业
-第2小节 表面微加工技术的几个问题
-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业
-第3小节 表面微加工代工工艺
-第3小节 表面微加工代工工艺--作业
-第4小节 表面微加工的应用
--表面微加工的应用
-第4小节 表面微加工的应用--作业
-第5小节 厚结构层技术
-- 厚结构层技术
-第5小节 厚结构层技术--作业
-第1小节 键合概述与直接键合
-- 键合概述与直接键合
-第1小节 键合概述与直接键合--作业
-第2小节 阳极键合与聚合物键合
-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业
-第3小节 金属键合与键合设备
-- 金属键合与键合设备
-第3小节 金属键合与键合设备--作业
-第1小节 工艺集成
-- 工艺集成
-第1小节 工艺集成--作业
-第2小节 系统集成
--系统集成
-第2小节 系统集成--作业
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业
-第4小节 三维集成
--三维集成
-第4小节 三维集成--作业
-第5小节 MEMS封装
--MEMS封装
-第5小节 MEMS封装--作业
-第6小节 MEMS封装(续)
-第6小节 MEMS封装(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 压阻传感器
--压阻传感器
-第2小节 压阻传感器--作业
-第3小节 电容传感器与压电传感器
-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业
-第1小节 压力传感器
--压力传感器
-第1小节 压力传感器--作业
-第2小节 压阻式压力传感器
-- 压阻式压力传感器
-第2小节 压阻式压力传感器--作业
-第3小节 压阻式压力传感器(续)
-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业
-第5小节 硅微麦克风
--硅微麦克风
-第5小节 硅微麦克风--作业
-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述
-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业
-第4小节 微机械陀螺概述
--微机械陀螺概述
-第4小节 微机械陀螺概述--作业
-第5小节 典型微机械陀螺
--典型微机械陀螺
-第5小节 典型微机械陀螺--作业
-第6小节 典型微机械陀螺(续)
-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业
-第7小节 模态解耦合
--模态解耦合
-第7小节 模态解耦合--作业
-第1小节 执行器概述
--执行器概述
-第1小节 执行器概述--作业
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业
-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器
-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业
-第5小节 热执行器
--热执行器
-第5小节 热执行器--作业
-第6小节 压电执行器和磁执行器
-- 压电执行器和磁执行器
-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业
-第1小节 RF MEMS概述
-- RF MEMS概述
-第1小节 RF MEMS概述--作业
-第2小节 MEMS开关I
--MEMS开关I
-第2小节 MEMS开关I--作业
-第3小节 MEMS开关II
--MEMS开关II
-第4小节 MEMS开关III
-第4小节 MEMS开关III--作业
-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器
-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业
-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器
-第7小节 MEMS谐振器的制造
-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业
-第1小节 光学MEMS概述
-- 光学MEMS概述
-第1小节 光学MEMS概述--作业
-第2小节 MEMS光开关I
--MEMS光开关I
-第2小节 MEMS光开关I--作业
-第3小节 MEMS光开关II
-- MEMS光开关II
-第3小节 MEMS光开关II--作业
-第4小节 影像再现I—反射器件
-- 影像再现I—反射器件
-第4小节 影像再现I—反射器件--作业
-第5小节 影像再现II—衍射器件
-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业
-第6小节 影像再现III—干涉器件
-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业
-第1小节 概述
-- 概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 软光刻技术
--软光刻技术
-第2小节 软光刻技术--作业
-第3小节 微流体输运
--微流体输运
-第3小节 微流体输运--作业
-第4小节 微流体输运(续)
--微流体输运(续)
-第4小节 微流体输运(续)--作业
-第5小节 试样处理
--试样处理
-第5小节 试样处理--作业
-第6小节 试样处理(续)
--试样处理(续)
-第7小节 检测技术
--检测技术
-第8小节 微流体应用
--微流体应用
-第8小节 微流体应用--作业
-第9小节 微流体应用(续)
--微流体应用(续)
-第9小节 微流体应用(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业
-第3小节 可穿戴与可植入微系统
-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业