Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №10

Перспективные дисплейные MEMS-технологии просветного типа

Самарин Александр


В настоящее время технология MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) широко используется для производства интегральных акселерометров, микродвигателей и актуаторов, селективных фильтров для биотехнологий, а также модуляторов света. Дисплейные элементы MEMS представляют собой массивы модуляторов света, которые могут работать на просвет или отражение. До недавнего времени практическое применение имели в основном модуляторы отражающего типа. В последние годы было разработано несколько перспективных базовых технологий MEMS просветного типа, на базе которых можно создавать дисплейные системы как для сектора стационарных (мониторов, телевизоров), так и для сектора портативных устройств.

MEMS-модуляторы имеют подвижные или деформируемые отражающие поверхности, которые расположены на кремниевой или стеклянной подложке. Схема управления может находиться на этой же подложке. Управляющие сигналы позволяют перемещать или деформировать отражающие поверхности в соответствии с подаваемой цифровой информацией. Массивы модуляторов могут быть как двумерными (матричная структура), так и одномерными (линейка модуляторов). В настоящее время известно несколько типов дисплейных MEMS-технологий:

  • DMD (Digital Micromirror Device) — разработка фирмы Texas Instruments;
  • TMA (Thin-Film Micromirror Array) — разработка фирмы Daewoo Electronics;
  • GLV (Grating Light Valve) — лицензия принадлежит фирме SONY, а производит модуляторы фирма Silicon Light Machines;
  • IMOD (Interferometric Modulator) — технология разработана фирмой Iridigm Display Corp. в 1996 году, в 2004 году технология была куплена компанией Qualcomm;
  • IMODS (Integrated MEMS Optical Display System) — технология разработана фирмой Microsoft Research;
  • MOEMS (Micro-Opto-Electromechanical Systems) — дисплейная технология, разработанная итальянским концерном FIAT.

Для работы одних модуляторов требуется сложная и дорогостоящая оптика (DMD, TMA и GLT), а также цветоразделительные фильтры; для других (iMOD) — не нужно никакой оптики и даже цветоразделительных фильтров. В модуляторах отражающего типа используются массивы микрозеркал (или отражающих микроконсолей), а в модуляторах пропускающего типа применяются массивы микрозатворов, блокирующих или отражающих световой поток. Исключение составляет технология IMOD, в которой используется селективное поглощение света за счет интерференции.

В технологии DMD от Texas Instruments коллимированный световой поток отклоняется массивом микрозеркал либо в плоскость объектива (сторона зрителя), либо в плоскость абсорбента. В результате модуляции часть светового потока направляется на световой абсорбент (поглотитель). При абсолютно черном экране весь световой поток от источника поглощается абсорбентом. Дисплеи отражательного типа в настоящее время применяются в стационарных системах с мощным источником света. Данная технология никогда и не рассматривалась как перспективная для применения в секторе устройств с батарейным питанием, поскольку обладает большой энергоемкостью.

Основной недостаток технологий MEMS отражательно типа — зависимость дисплейных параметров от яркости и положения внешнего источника света, а также низкая эффективность использования энергии светового потока.

MEMS-технологии просветного типа имеют значительно больший потенциал как по дисплейным характеристикам, так и по сфере применения. Данный класс модуляторов получил название TMOS (Transmissive Microoptical Switches).

При использовании просветной схемы появляется возможность рекуперировать световой поток, и за счет этого значительно повысить эффективность использования световой энергии. Отраженный от зеркальных плоскостей затворов свет возвращается в объем светораспределителя (light guide) и за счет сфокусированного отражения от зеркальных внутренних стенок светораспределителя имеет возможность попасть в плоскость открытых в данный момент затворов, тем самым повышая яркость пикселя.

Возможности просветной технологии за счет более эффективного использования энергии позволяют создавать компактные и экономичные дисплейные модули для мобильной аппаратуры. И даже конкурировать с ЖК-дисплеями.

Разработка просветных MEMS-технологий производится многими фирмами. Наиболее известны достижения нескольких из них: Microsoft Research, Pictronix, UniPixel Displays Inc.

Разработки TMOS фирмы Microsoft Research

Впервые просветной технологией MEMS начала заниматься лаборатория Microsoft Research лет восемь назад. Первоначально предполагалась разработать базовые дисплейные модули низкого разрешения до 50 dpi для сборки большеформатных проекционных экранов. Технология была названа IMODS (Integrated MEMS Optical Display System). На рис. 1 представлена структура TMOS дисплейной системы Microsoft Research.

В центре рис. 1 показан фрагмент поверхности матричного TMOS-модулятора. Светлые квадраты — апертуры модуляторов. Прямоугольные области матрицы — актуаторы, электростатические приводы затворов. Принцип работы модуляторов показан на рис. 2.

СтруктураTMOS дисплейной системы Microsoft Research
Рис. 1. СтруктураTMOS дисплейной системы Microsoft Research
Cветовая схема просветного TMOS-дисплея
Рис. 2. Cветовая схема просветного TMOS-дисплея

Коллимированный световой поток направляется в плоскость массива микролинз, которые распределяют и фокусируют поток в плоскость апертур микрозатворов. Управляемый сигналами напряжения массив микрозатворов сформирован на кремниевой пластине. Свет от источника подсветки проходит через сквозные отверстия (световые туннели), вытравленные в зоне апертуры затвора. На рис. 1 видно, что рабочая область затвора (апертура) значительно меньше области, занимаемой актуатором. Для эффективной модуляции светового потока требуется использование фокусирующей оптики. В качестве источника света применяются мощные светодиоды. Цветное изображение на экране получается за счет цветокадровой модуляции.

Конструкция и работа микрозатвора

Ключевыми элементами технологии являются: электростатический актуатор, световой затвор и световой сквозной туннель в кремниевой подложке. На рис. 3 показана топология блока актуатора с микрозатвором типа «зигзаг».

Топология MEMS-затвора «зигзаг»
Рис. 3. Топология MEMS-затвора «зигзаг»

Единичный модулятор состоит из емкостного актуатора, двух крышек затвора и оптического канала. Зигзагообразная конструкция актуатора (рис. 4) представляет систему из неподвижного электрода (рамка с «зубами» на снимке) и двух подвижных зигзагообразных электрода. «Зубы» подвижных электродов вписаны во впадины между «зубами» неподвижной рамки. Каждый из подвижных электродов является консолью, которая может смещаться в горизонтальной плоскости. На крайних концах консолей сформированы две крышки светового затвора. Крышки находятся со смешением по вертикали таким образом, чтобы обеспечить блокировку светового потока. Изначально подвижные электроды сдвинуты к середине и крышки затвора перекрывают зону светового канала.

Конструкция актуатора «зигзаг»
Рис. 4. Конструкция актуатора «зигзаг»

В процессе разработки ключевых элементов требовалось разработать дешевую и надежную технологию с высокой степенью повторяемости характеристик, обеспечить высокое быстродействие затвора, а также обеспечить минимальное энергопотребление привода при работе. Очевидно, что энергия зависит от величины смещения подвижных элементов и их массы. Величина необходимого смещения элементов затвора зависит от апертуры перекрываемого им светового канала (рис. 5). Поэтому был выбран минимально возможный диаметр светового туннеля, который можно было протравить в кремниевой подложке толщиной 180 мкм — около 20 мкм.

Оптическая схема TMOS-микрозатвора
Рис. 5. Оптическая схема TMOS-микрозатвора

Апертурное отношение модулятора при этом получалось очень малым, но эта беда компенсировалась использованием фокусирующей оптики. Для работы актуатора был выбран наиболее оптимальный с точки зрения энергетики резонансный режим, при котором активно используется энергия возвратного движения консолей актуатора. С уменьшением величины смещения уменьшилась и амплитуда рабочего напряжения, необходимая для движения консолей актуатора.

В результате многолетней работы по оптимизации конструкции и технологии была разработана конструкция типа «зигзаг». Конструкция MEMS-актуатора похожа на конструкцию MEMS-датчиков движения. Для актуаторов энергия электрического поля расходуется на перемещение подвижных электродов.

Световой поток перекрывается эффективным электромеханическим затвором с узким световым каналом, что обеспечивает очень высокий контраст. Высокая скорость работы затворов обеспечивает работу в режиме цветкадровой модуляции и позволяет формировать цветное изображение. Данный световой затвор может работать и в аналоговом режиме. Кстати, микрозеркальные модуляторы не имеют такой способности. Для формирования полутонов в них требуется повышать кадровую развертку, чтобы обеспечить модуляцию яркости пикселей по нескольким кадрам. А это лишний расход энергии на управление. Больше частота движения механических элементов — больше расход энергии. Лишняя энергия при этом расходуется и на драйверы.

Минимальные требования к быстродействию затвора формулируются исходя из того, что при кадровой развертке 60 Гц при цифровом методе управления (ШИМ) нужно обеспечить 256 градаций в монохромном режиме. Отсюда получаем 60×256 = 15 360 Гц.

Основные параметры TMOS-затвора:

  • площадь актуатора 47×160 мкм;
  • диаметр окна светового туннеля — 20 мкм;
  • толщина подложки — 180 мкм;
  • напряжение управления затвором — 38 В;
  • износостойкость — не менее 7,6×109 циклов.

Конструкция светового затвора

Поликремний используется как несущий элемент двух крышек затвора, а пленка золота блокирует свет. Крышки затворов сформированы на кончиках подвижных электродов. При отсутствии напряжения крышки сдвинуты с нахлестом 2 мкм, блокируя прохождение света (рис. 6).

Сечение светового затвора
Рис. 6. Сечение светового затвора

При подаче напряжения на электроды конденсатора, образованного системой подвижных и неподвижных электродов, подвижные электроды начнут смещаться (раздвигаться) в сторону зубьев рамки. Затворные крышки разъезжаются в стороны на 10 мкм и открывают световой канал. Элементы фиксаторов, расположенные в определенном порядке, не только ограничивают движение подвижных зубьев обеих консолей. Движение консолей происходит таким образом, что «зубья» поочередно будут достигать упоров. При этом будет обязательно происходить деформация на изгиб консолей. Топология упорных элементов позволяет задать траекторию движения зигзагообразных консолей с максимальным размахом на кончиках в колебательном режиме. Это обеспечивает минимальные энергетические затраты актуатора и оптимальный кинематический режим.

Выбранная топология электродов позволяет уменьшить величину эффективных управляющих напряжений, чтобы обеспечить согласование со стандартной КМОП-технологией, которая используется в производстве драйверов ЖК-дисплеев (35–40 В). Токи потребления небольшие. Для уменьшения энергии, затрачиваемой на перемещение затвора, он сделан довольно маленьким. На рис. 7 можно видеть, что рабочая площадь светового затворного канала значительно меньше площади электродов обслуживающего его электростатического актуатора!

Два состояния затвора TMEMS
Рис. 7. Два состояния затвора TMEMS (снято с внешним освещением затвора (а, в) и без него (б, г))

Технология формирования оптического канала TMEMS

На рис. 8 показан технологический процесс формирования одного из ключевых элементов модулятора — светового туннеля в кремниевой подложке. Это заключительный этап изготовления матричного модулятора. Перед этим на поверхности подложки-носителя уже сформированы все элементы MEMS-структуры модулятора сшинами управления и контактными площадками.

Процесс формирования оптического туннеля

Достоинства модулятора:

  • Малое потребление схем управления.
  • Высокая эффективность модуляции (достижимый контраст 1:1000).
  • Высокая эффективность использования светового потока за счет рекуперации.
  • Совместимость схем управления со стандартной технологией матрицы TFT.
  • Высокая скорость модуляции (быстродействие затвора 100 мкс).
  • Формирование цветного изображения в режиме покадровой модуляции основных цветов.

Недостатки:

  • Сложная и пока дорогая технология.
  • Недостаточная механическая износостойкость устройства.

На первых этапах разработки технологии микрозеркальных модуляторов Texas Intruments существовали те же проблемы. Потребовалось много усилий и времени (около 10 лет), чтобы довести разработку до коммерческого уровня.

Дисплейная технология Pixtronix

Небольшая американская компания Pixtronix разработала свою конструкцию MEMS-модуля просветного типа (рис. 9).

Муляж дисплейного модуля Pixtronix
Рис. 9. Муляж дисплейного модуля Pixtronix

Особенности конструкции актуатора и затвора пока не разглашаются. Технология Pixtronix обеспечивает контраст 1:1000. Скорость переключения затвора из закрытого в открытое состояние — около 100 мкс. При этом обеспечивается минимальное потребление энергии. На рис. 10 показана топология актуатора и затвора Pixtronix.

Топология актуатора и затвора TMEMS Pixtronix
Рис. 10. Топология актуатора и затвора TMEMS Pixtronix

Деятельность фирмы сосредоточена разработке дисплейных модулей для мобильных устройств. Поэтому основной целью является получение высокой экономичности использования задней подсветки модуля. Фирма решает комплексную задачу. На рис. 11 показана оптическая схема дисплея Pixtronix.

Оптическая схема дисплея Pixtronix для мобильных приложений на основе просветного матричного TMEMS
Рис. 11. Оптическая схема дисплея Pixtronix для мобильных приложений на основе просветного матричного TMEMS

В отличие от схемы Microsoft Research, для повышения эффективности использования светового потока здесь не используются массив микролинз, а световой поток неколлимированный. Это значительно удешевляет конструкцию модуля. Рекуперация света обеспечивается за счет оптимальной схемы отражения в световоде.

Для повышения коэффициента рекуперации света используется специальная форма отражателя в нижней стенке световода. При отражении свет фокусируется преимущественно в зоны апертур затворов. Как утверждается, при использовании данной схемы коэффициент пропускания дисплейной структуры Pixtonix составляет около 60%.

Для сравнения, коэффициент пропускания ЖК-дисплеев мобильных устройств — не более 8%. Достигнутое быстродействие затворов на тестовых структурах — 1440 Гц. Для сравнения, в типовых микродисплеях LCOS с цветовой покадровой модуляцией максимальная частота кадровой развертки — 450–540 Гц. Чем выше частота кадровой развертки, тем меньше проявление артефактов, связанных с применением цветокадровой модуляции.

Дисплейная технология UniPixel Displays Inc.

В дисплейной технологии Unipixel нет затвора, механически перекрывающего световой поток. Бренд патентованной технологии — TMOS (Time Multiplexed Optical Shutter). Аббревиатура та же, что и у Microsoft Research, но другая расшифровка. Ключевой эффект, определяющий принцип работы затвора Unipixel — Frustrated Total Internal Reflection (FTIR), то есть эффект «нарушения полного внутреннего отражения». Эффект известен давно и активно используется для создания различных оптических устройств.

При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна отражается от границы, другая проникает через границу раздела во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения. Начиная с некоторой его величины вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением.

Однако если поверх двух материалов, на границе которых выполняется полное внутреннее отражение света, поместить третий материал, имеющий индекс преломления больше, чем у второго, а расстояние будет выдержано меньше нескольких длин волн, то полного внутреннего отражения на границе первого и второго материала уже не будет происходить. Свет будет проходить сквозь сэндвич из трех материалов. Третий материал в нашем случае — это материал пленки подвижного электрода. Первый материал — материал светораспределителя, а второй — пленка нижнего электрода конденсатора.

На рис. 12 проиллюстрирован принцип работы светового затвора UniPixel на эффекте FTIR.

Принцип работы светового затвора UniPixel Display Inc.
Рис. 12. Принцип работы светового затвора UniPixel Display Inc.
Состояние «светлый пиксель»
Рис. 13. Состояние «светлый пиксель»

Световой поток от мощных светодиодов RGB направляется в торцевую часть плоского светораспределителя. Все торцевые грани светораспределителя зеркальные и обеспечивают циркуляцию света внутри него. Условия распространения света в объеме светораспределителя почти такие же, как в световолоконном кабеле, то есть с минимальным рассеянием от границы раздела.

На фронтальной поверхности светораспределителя размещен массив световых затворов. Единичный затвор представляет собой конденсаторную структуру. Две обкладки (электрода) размещены параллельно, одна на поверхности светораспределителя, а другая «подвешена» на опорах (спейсерах). Расстояние выбрано очень малым. Оба электрода абсолютно прозрачные для видимого света. В нормальном состоянии (пиксель темный) в отсутствии напряжения на обкладках конденсатора свет, попадающий в светорассеиватель от светодиодных торцевых источников, испытывает полное внутреннее отражение. Это определяется подбором материалов с определенным соотношением коэффициентов преломления. При подаче напряжения на электроды верхний подвижный электрод под действием силы электростатического притяжения прогибается на опорах и «прилипает» к нижней пленке.

При этом изменяется картина отражения света на границе трех поверхностей. Так подобраны материалы. Нарушается полное внутреннее отражение и свет, попавший в апертуру затвора, полностью проходит наружу в сторону наблюдателя.

Технологически сделать это совсем непросто. Нужно подобрать материалы и обеспечить в процессе напыления заданную и очень точную толщину пленок. Следует учесть, что на поверхности нижнего электрода должна быть напылена пленка диэлектрика, чтобы обеспечить защиту от короткого замыкания обкладок конденсатора в состоянии «затвор открыт». При этом дополнительный слой не должен нарушать условия для работы эффекта FTIR.

Конструкция дисплейного экрана UniPixel

На рис. 14 показан фрагмент конструкции дисплейного экрана Unipixel.

Конструкция дисплейного экрана UniPixel
Рис. 14. Конструкция дисплейного экрана UniPixel (толщина слоев показана не в масштабе)

Компанией в настоящее время разработаны и испытаны два различных прототипа дисплеев. Первый — форматом 8×24 с прямой адресацией пикселей, а второй форматом 128×160 с активной TFT-адресацией.

Дисплейная конструкция состоит из двух панелей. Нижняя панель представляет собой световод (светорассеиватель), на внутренней поверхности которого размещена схема матричной TFT-адресации, а также неподвижные электроды (аноды) конденсаторной системы MEMS-матрицы. Верхняя панель — патентованный Opcuity «активный слой» — содержит прозрачную пленку распределенного катода с подвижными пиксельными электродными секциями, а также слой микролинз. Оба слоя размещены на гибкой полимерной пленке-носителе.

На рис. 15 показана структура верхней панели дисплея (рис. 16).

Структура верхней панели — активного слоя Opcuity
Рис. 15. Структура верхней панели — активного слоя Opcuity
Дисплей UniPixel в сборе
Рис. 16. Дисплей UniPixel в сборе

Усеченные пирамидки — подвижные секции противоэлектродов. При подаче положительного потенциала на противоположные электроды (аноды, адресуемые TFT-матрицей) верхняя плоскость пирамидки будет смещаться до полного оптического контакта с нижней подложкой (рис. 17).

Процесс совмещения подложек
Рис. 17. Процесс совмещения подложек

Панели при сборке склеиваются таким образом, чтобы обеспечивался определенный воздушный зазор между электродами пикселей.

Основные параметры дисплейной технологии:

  • Разрешение — до 300 dpi.
  • Рабочие углы наблюдения — 176°.
  • По желанию заказчика углы можно и уменьшить за счет упрощения оптической схемы микролинз.
  • Цветовая палитра — фактически обеспечивается поддержка 24-разрядного кодирования цвета. Есть возможность для расширения шкалы до 36-разрядной сетки.
  • Температурный рабочий диапазон от –40 до +90 °С
  • Устойчивость к механическим ударам и вибрации.
  • Структура TMOS предусматривает защиту от повреждений при работе в условиях повышенных механических напряжений.
  • Время наработки на отказ сравнимо со временем наработки для светодиодов в модуле подсветки — около 100 000 часов.

Контраст дисплейной структуры UniPixel

Заявленный уровень контраста дисплея UniPixel — не менее 1:3200. Он определяется в основном уровнем френелевского рассеяния на границе между нижним электродом и воздухом в закрытом состоянии затвора — 0,1%. За счет апертуры контраст увеличивается еще в 8 раз. Расчетный контраст 1:8000. За счет неидеальности структуры и паразитного рассеяния контраст уменьшается до уровня 1:3200. Дополнительное расширение диапазона контраста возможно и за счет использования схемы динамической светодиодной подсветки.

Бюджет расширения диапазона за счет дополнительного димминга:

  • ШИМ-модуляция светодиодов обеспечит димминг до 1:10 000.
  • Простое выключение части светодиодов подсветки — получаем еще 1:6.
  • Регулировка максимального тока через светодиоды даст еще 1:5.

В целом комбинация трех методов управления яркостью подсветки обеспечивает расширение диапазона модуляции по яркости еще на 54 дБ. В итоге дисплейная система получает потенциальную возможность работать в широчайшем диапазоне яркостей внешней освещенности, обеспечивая оптимальное согласование со зрительной системой человека.

Пока что при измерении контраста на прототипах были получены значения не более 1:140 (тест «шахматная доска»).

Новые возможности для повышения надежности

Структура TMOS абсолютно прозрачна. Это свойство обеспечивает возможность дополнительного повышения надежности за счет простого дублирования дисплейной структуры по Z-оси. Прием пока недоступен ни для одной из известных дисплейных технологий. Данная схема особенно успешно может применяться в авионике, где, в соответствии с требованиями безопасности управления, требуется использовать дублирующие дисплеи, которые занимают дополнительные площади на приборной панели кабины пилота. Применяя двухслойную схему резервирования, можно сократить почти вдвое площадь, занимаемую основным и дублирующим дисплеем. Еще одно преимущество такого метода резервирования — пилоту не потребуется менять угол наблюдения при отказе основного дисплея.

Заключение

Простота и дешевизна предложенной технологии UniPixel кажется ошеломительной! Достаточно сравнить эту технологию с технологией производства TFT ЖК-дисплеев или OLED-дисплеев. Число операций значительно меньше, не требуется применение дорогих органических материалов. Нет вакуумной сборки. Практически нет факторов, приводящих к деградации структуры. Накоплен достаточный технологический опыт получения любых пленок контролируемой толщины и на больших поверхностях. Сборка подложек с фиксированными зазорами также не является проблемой благодаря разработкам в ЖК-дисплейной технологии.

Если удастся реализовать UniPixel в полной мере, то это действительно сильнейший конкурент для ЖК- и OLED-дисплеев в ближайшие годы. Однако история развития техники показывает, что природа не отдает ничего просто так.

Литература

  1. Wang D. K., SinclairM., Starkweather G. K., Bohringer K. F. An Electrostatic Zigzag Transmissive Microoptical Switch for MEMS Displays // Microelectromechanical systems // Journal of. Feb. 2007.
  2. Hagood N., Barton R., Brosnihan T. A Direct-View MEMS Display for Mobile Applications // Pixtronix, Inc. 2007.
  3. Wanga K., Weia K.-S., Sinclairb M., Bohringera K. F. Micro-optical Components for a MEMS Integrated Display // Electrical Engineering Department, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA Hardware Devices Group, Microsoft Research.
  4. Time Multiplexed Optical Shutter (TMOS) White Paper Unipixel Display Inc. 2007.
  5. Measuring the Optical Properties of UniPixel’s OpcuityTM Active Layer. Pixtronix, Inc. 2007.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке