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以及不可見波長的光線經(jīng)過成像鏡頭后形成彩色畫面。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/168540.htm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(jì)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(dòng)器被廣泛采用。通常,梳狀致動(dòng)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(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通過光柵節(jié)距的變化來實(shí)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(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(dòng)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(shí),相同的驅(qū)動(dòng)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(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展開,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,就可選用我國普遍具備的6英寸晶圓生產(chǎn)線的0.5微米工藝來實(shí)施制造。
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