閃耀光柵數字微鏡的結構設計與驅動(dòng)

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

微鏡結構設計的基本要求

閃耀光柵數字微鏡顯示技術(shù)的核心部件是閃耀光柵數字微鏡。要達到便攜應用和投影應用的目的，閃耀光柵數字微鏡結構設計需滿(mǎn)足以下基本要求。

盡可能減小顯示單元的尺寸

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

盡可能提高像素的填充率

閃耀光柵數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動(dòng)方式有關(guān)。在MEMS系統中，最為高效的驅動(dòng)方式為靜電驅動(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算。

式中，er為相對介電常數，eo為自由空間介電常數，W是電極板的寬，L是電極板長(cháng)，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(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。

采用盡可能低的驅動(dòng)電壓

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

確定的幾何結構參數要確保微鏡具有足夠的強度和壽命

與GLV通過(guò)光柵節距的變化來(lái)實(shí)現光線(xiàn)的空間調制不同，閃耀光柵微鏡是通過(guò)微鏡的偏轉，使入射光線(xiàn)的入射角發(fā)生變化來(lái)實(shí)現光線(xiàn)的空間調制。微鏡的偏轉主要有變形、移動(dòng)、活塞和扭轉等方式。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)運動(dòng)機構的作用，使材料變形轉變?yōu)殓R面的轉動(dòng)。在以上方式中，扭轉軸方式以響應速度快、黏結性低、無(wú)磨損的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。扭轉微鏡結構設計時(shí)要考慮的主要內容是要能夠用盡可能低的驅動(dòng)電壓達到所需偏轉角度的同時(shí)，還需保證特定材料的幾何結構能通過(guò)剪切應力的校核。

根據材料力學(xué)，矩形截面扭轉軸的扭轉角由以下公式確定：

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

式中，a,b分別是扭轉軸矩形截面的高和寬

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

滿(mǎn)足現有的半導體工藝制程

微鏡結構設計的一個(gè)重要基礎是結構設計須基于所采用的工藝制程來(lái)展開(kāi)，不能將傳統機械設計的傳統加工方法應用到微機械的設計上。微鏡結構擬訂的工藝制程為表面加工技術(shù)。為了達到較高的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(xiàn)來(lái)生產(chǎn)。為降低試制成本，也可以先設計640×480VGA標準的顯示器，這樣，就可選用我國普遍具備的6英寸晶圓生產(chǎn)線(xiàn)的0.5微米工藝來(lái)實(shí)施制造。