閃耀光柵數字微鏡的結構設計與驅動

基于MEMS的閃耀光柵數字微鏡顯示技術是一種全新的顯示技術, 它的基本工作原理為：平行的復合白色光線以固定的入射角照射在閃耀光柵微鏡陣列上，驅動電路驅動每個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以及不可見波長的光線經過成像鏡頭后形成彩色畫面。

微鏡結構設計的基本要求

閃耀光柵數字微鏡顯示技術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在微鏡總像素尺度范圍內保持平行，否則，由于入射光線的角度偏差，將導致畫面色彩的偏離。當微鏡總像素尺度較小時，容易得到理想的、具有較強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方式有關。在MEMS系統(tǒng)中，最為高效的驅動方式為靜電驅動。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，eo為自由空間介電常數，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。

采用盡可能低的驅動電壓

從靜電力公式還可以看到，靜電力的大小與驅動電壓的平方成正比。提高驅動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內。這就要求微鏡的驅動電壓也必須與之相適應，基于固定應用的220V電壓驅動電壓顯然不適合用于移動應用中。

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通過光柵節(jié)距的變化來實現光線的空間調制不同，閃耀光柵微鏡是通過微鏡的偏轉，使入射光線的入射角發(fā)生變化來實現光線的空間調制。微鏡的偏轉主要有變形、移動、活塞和扭轉等方式。變形、移動和活塞方式通常利用材料的變形來產生，例如，在壓電或聚合材料上施加電壓時，能使這些材料產生較大尺度的變形，經過運動機構的作用，使材料變形轉變?yōu)殓R面的轉動。在以上方式中，扭轉軸方式以響應速度快、黏結性低、無磨損的優(yōu)點被廣泛采用。扭轉微鏡結構設計時要考慮的主要內容是要能夠用盡可能低的驅動電壓達到所需偏轉角度的同時，還需保證特定材料的幾何結構能通過剪切應力的校核。

根據材料力學，矩形截面扭轉軸的扭轉角由以下公式確定：

式中，T為電極板產生的靜電力引起的對于扭轉軸的扭矩，L為扭轉軸支點到扭轉軸鏡面連接點的長度，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、扭轉軸長度、材質特性以及施加的力矩。在材料以及驅動靜電力確定的情況下，扭轉軸的截面尺寸和長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，相同的驅動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，才能保證扭轉軸具有可靠的壽命。

滿足現有的半導體工藝制程

微鏡結構設計的一個重要基礎是結構設計須基于所采用的工藝制程來展開，不能將傳統(tǒng)機械設計的傳統(tǒng)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。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英寸晶圓的生產線來生產。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英寸晶圓生產線的0.5微米工藝來實施制造。