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影像再现I—反射器件在线视频

影像再现I—反射器件

下一节:影像再现II—衍射器件

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影像再现I—反射器件课程教案、知识点、字幕

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

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-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

--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)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-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

--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)

--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

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-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

--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

--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)

--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

--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

--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)

--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

--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--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-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

--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

--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

第三章 微系统制造技术III—键合

-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

--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

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-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

--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)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-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

--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

--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

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-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)

--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

--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

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--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

--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

--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)

--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

第五章 微型执行器

-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

--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)

--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

--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

第六章 RF MEMS

-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

--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

--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

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-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

--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

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-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

第九章 BioMEMS

-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

--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

--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

影像再现I—反射器件笔记与讨论

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