MEMS顯示技術(shù)的發(fā)展歷程解析

　　1、什么是MEMS？

　　MEMS全稱MicroElectroMechanicalSystems，即微電子機(jī)械系統(tǒng)，其組成包括微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型架構(gòu)及相應(yīng)的微型處理電路。它是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。

　　MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。

　　第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長(zhǎng)期看來將是MEMS一個(gè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁的領(lǐng)域。

　　圖1、MEMS系統(tǒng)

　　2.MEMS顯示技術(shù)發(fā)展歷程

　　MEMS和微光學(xué)技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)各種微型光學(xué)器件結(jié)構(gòu)，這種微型光學(xué)器件具有體積小、重量輕、耗能低、慣性小、易于集成等特點(diǎn)，利用MEMS微光學(xué)器件可以很好地實(shí)現(xiàn)光線的調(diào)制和操控。因此，基于MEMS的顯示技術(shù)自上世紀(jì)80年代以來得到長(zhǎng)足的發(fā)展，Ti公司基于DMD器件的DLP投影儀已經(jīng)征服世界，SONY公司在GLV技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的了大型的GxL激光投影儀，而在中小尺寸顯示屏領(lǐng)域，則主要是由高通全資子公司高通光電在進(jìn)行推動(dòng)。

　　2004年高通公司通過并購(gòu)Iridigm獲得iMoD技術(shù)，并在2008年國(guó)際信息顯示大會(huì)上推出了全球第一款iMoD彩色顯示屏。Mirasol顯示屏以干涉測(cè)量調(diào)制（iMoD）的反射技術(shù)為基礎(chǔ)，可以利用環(huán)境光線而不需要背光進(jìn)行顯示，其功耗自然被大大降低。反射型Mirasol顯示器還可根據(jù)周圍光照條件自動(dòng)調(diào)節(jié)，使用戶在幾乎所有環(huán)境下查看內(nèi)容，包括明亮的陽(yáng)光下。iMoD元件雖然簡(jiǎn)單，卻可以提供調(diào)制、色彩選擇以及內(nèi)存功能，取代了傳統(tǒng)有源矩陣、彩色濾光片和偏光片的作用。

　　2.1．Mirasol顯示屏的色彩生成機(jī)理

　　從根本上說，Mirasol顯示屏是一個(gè)光諧振空穴，類似于法布里--珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，每個(gè)iMoD像素包含紅、綠、藍(lán)3種顏色小像素，每個(gè)小像素的大小在10μm~100μm左右。每個(gè)子像素點(diǎn)包含獨(dú)立的可變形反光膜與薄膜堆疊層（每層薄膜可充當(dāng)光諧振空穴的一個(gè)鏡面），二者均裝于透明基板上。而玻璃基板和反射膜之間的空隙則構(gòu)成了空氣薄膜，以利于光線在其中反射。根據(jù)空穴的高度，反光膜所反射之特定波長(zhǎng)的光線與薄膜結(jié)構(gòu)的反射光線之間存在微小相差，基于相差，某些波長(zhǎng)將發(fā)生相長(zhǎng)干涉，另一些則發(fā)生相消干涉，利干涉原理的色彩生成，對(duì)光線的使用效率要比傳統(tǒng)彩色濾光片高很多。通過改變反光膜狀態(tài)以調(diào)整空穴的高度，Mirasol顯示屏的圖像可在彩色與黑色之間進(jìn)行切換，對(duì)薄膜堆疊層施加高電壓后，靜電力將使反光膜變?yōu)樗轄顟B(tài)，光穴的變化導(dǎo)致光線在人眼不可見的紫外線波長(zhǎng)處發(fā)生相長(zhǎng)干涉，因此屏幕顯示黑色。對(duì)薄膜堆疊層施加高低壓后接通電壓時(shí)，反射層會(huì)下降，光穴高度增大，當(dāng)光穴高度為160nm時(shí)，iMoD顯示綠色；300nm時(shí)，iMoD顯示藍(lán)色；400nm時(shí)顯示紅色（如下圖2）。

　　圖2、iMoD子像素工作原理

　　從本質(zhì)上看，iMoD元件是1位設(shè)備，也就是說，它可被驅(qū)動(dòng)到暗態(tài)（全黑）或亮態(tài)（彩色）。為了顯示灰度圖像，可以利用空間抖動(dòng)或瞬時(shí)抖動(dòng)，空間抖動(dòng)是將已有子像素分成若干更小的可尋址元件，然后分別驅(qū)動(dòng)單個(gè)元件已得到不同的灰度。此種方式需要每個(gè)元件額外具有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器。另一方式是瞬時(shí)抖動(dòng)，可用于獲得額外的灰度等級(jí)?？臻g抖動(dòng)與瞬時(shí)抖動(dòng)個(gè)有利弊，空間抖動(dòng)功耗較小，因?yàn)轱@示器無需像瞬時(shí)抖動(dòng)那樣頻繁刷新。由于功耗與刷新頻率成正比，所以瞬時(shí)抖動(dòng)最好用于對(duì)功耗不太敏感的情形，但瞬時(shí)抖動(dòng)排布元件較少，并能提供更高的填充系數(shù)。因此將兩種方式結(jié)合起來使用以境加灰度級(jí)別數(shù)目。圖4表示一個(gè)iMoD像素結(jié)構(gòu)，由紅、綠、藍(lán)3個(gè)子像素組成，每個(gè)子像素分成多個(gè)可尋址單元。第二代的iMoD器件在填充系數(shù)、光學(xué)性能和電-機(jī)行為等方面進(jìn)行了改進(jìn)，在各子像素之間設(shè)立了支撐柱，可以給予所有未被尋址的單元以機(jī)構(gòu)支撐，使填充系數(shù)超過了90%。

　　Mirasol顯示屏另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)就是又穩(wěn)態(tài)特性，只有在像素顏色需要改變時(shí)才需要消耗電力，所以它的功耗極低，也可以說Mirasol顯示屏非常適合于需要長(zhǎng)時(shí)間顯示固定黑白或彩色內(nèi)容的電子閱讀器。Mirasol顯示屏的雙穩(wěn)態(tài)性來自于制造工藝的機(jī)電屬性所固有的滯后效應(yīng)。該特性源于反光膜的線性機(jī)械回復(fù)力與所施加電場(chǎng)的非線性力所固有的不平衡性，類似于有源矩陣顯示器中的TFT元件。

　　圖3、第二代iMoD像素結(jié)構(gòu)

　　僅管與傳統(tǒng)LCD和OLED顯示相比，Mirasol顯示屏具有響應(yīng)時(shí)間快、可讀性強(qiáng)，功耗低、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于其生產(chǎn)良率過低，組裝性能差，據(jù)高通透露，Mirasol顯示屏在OEM生產(chǎn)時(shí)良率僅40%-50%。雖然經(jīng)過幾年努力，發(fā)展仍然十分緩慢。故2012年7月，高通宣布停止Mirasol顯示屏的生產(chǎn)并開始將技術(shù)授權(quán)給一些企業(yè)使用。

　　2.2．TMOS顯示屏工作原理

　　在高通努力發(fā)展Mirasol顯示屏?xí)r，一家名叫Pixtronix的美國(guó)顯示技術(shù)公司則在開發(fā)另一種基于時(shí)序多工光學(xué)快門（TMOS）的MEMS顯示技術(shù)，Pixtronix公司與日立展開合作并于2010年10月發(fā)布一款基于此技術(shù)的MEMS顯示器。與傳統(tǒng)液晶顯示器相比，耗電量?jī)H為1/2。該技術(shù)的核心是像素設(shè)計(jì)，利用MEMS快門來控制顯示器的光通量。

　　TMOS顯示器由負(fù)責(zé)像素處理的帶薄膜晶體管的光導(dǎo)管和一個(gè)被稱為Opcuityactivelayer的微光薄膜構(gòu)成（見圖4）。光導(dǎo)管是顯示器的核心光轉(zhuǎn)換媒介，由RGBLED發(fā)出的非平行光通過其入射，并在其中保持隨機(jī)多模TIR傳播，直到發(fā)散成為活動(dòng)像素。

　　圖4、TMOS系統(tǒng)的基本原理

　　Opcuityactivelayer包括一個(gè)基本底膜，表面的MEMS結(jié)構(gòu)和一個(gè)導(dǎo)線。對(duì)于單個(gè)像素，TMOS光閥結(jié)構(gòu)就是一個(gè)可變電容。光導(dǎo)中一個(gè)傳導(dǎo)平面和活躍層中的另一個(gè)傳導(dǎo)平面相互平行，并保有一個(gè)間隙。當(dāng)像素電容產(chǎn)生電壓差的時(shí)候，靜電引力使兩個(gè)傳導(dǎo)平面結(jié)合到一起（見圖5）?？刂屏斯鈱?dǎo)板的充放電就能使單個(gè)像素穿過活性薄膜。TMOS中的時(shí)序多工是一種顯示器的圖像構(gòu)成方式。對(duì)于一個(gè)全彩色圖形來說，紅、綠和藍(lán)光依次注入，由MEMS快門決定哪種光會(huì)在何時(shí)被傳送。這個(gè)過程經(jīng)常被當(dāng)稱為場(chǎng)序色彩生成。該方法具有許多好處。第一，它與現(xiàn)在的構(gòu)造基礎(chǔ)完全兼容，不需顯示制造商重建生產(chǎn)車間。第二、它不需要在結(jié)構(gòu)上疊加濾光片、偏光片等光學(xué)薄膜，從而大大增加了光強(qiáng)。

　　圖5、快門控制光線傳導(dǎo)

　　快門開關(guān)的速度和位置可以控制背光源的透光量，從而確定屏幕顯示的顏色和強(qiáng)度。當(dāng)快門關(guān)閉，沒有光源通過，呈現(xiàn)出黑色像素，當(dāng)快門完全打開的時(shí)候，我們看到的則是白色像素。MEMS顯示屏通過平衡大量快門的速度、其開關(guān)的位置和各種顏色背光源之間的關(guān)系，高度還原屏幕的色彩和亮度。

　　2011年11月，致力于發(fā)展MEMS顯示技術(shù)的高通宣布收購(gòu)Pixtronix公司，隨后又宣布入股夏普取得IGZO技術(shù)。而夏普所掌握的氧化銦鎵鋅（IGZO）技術(shù)，是一種薄膜晶體管液晶顯示屏（TFT-LCD）技術(shù)。它將銦、鎵、鋅與氧結(jié)晶化，實(shí)現(xiàn)原子之間獨(dú)特、細(xì)致的排列方式。與傳統(tǒng)LCD的非晶硅相比，新的結(jié)晶構(gòu)造中電子遷移率提高了20--50倍。因此，采用IGZO技術(shù)MEMS快門開關(guān)速度將會(huì)得到顯著提高，畫面顯示也更加細(xì)膩。但MEMS屏幕也不是沒有缺點(diǎn)。就像DLP投影會(huì)產(chǎn)生“彩虹效應(yīng)（rainboweffect）”那樣，當(dāng)你搖頭看它時(shí)，MEMS屏幕也會(huì)產(chǎn)生類似那樣的效果。

　　3．MEMS顯示屏商用進(jìn)程

　　MEMS顯示技術(shù)商用速度目前進(jìn)展十分緩慢，IGZO+MEMS技術(shù)只有夏普和高通在推動(dòng)發(fā)展，2014年在SID展會(huì)上成功發(fā)布一款7英寸MEMS屏幕后，并無太大進(jìn)展。而另一科技巨頭蘋果也在悄然布局MEMS技術(shù)，蘋果在2011年開始開發(fā)MEMS顯示技術(shù)，并且申請(qǐng)了一種與LCDOLED一起使用的混合屏幕技術(shù)專利，2015年4月份又通過臺(tái)積電的渠道，獲得了新竹科學(xué)園區(qū)管轄的龍?zhí)犊茖W(xué)園區(qū)原正崴集團(tuán)（Foxlink）旗下廣達(dá)工廠，設(shè)立美商電子股份有限公司臺(tái)灣分公司，利用原來廣達(dá)和高通合作的Mirasol顯示屏生產(chǎn)線來研發(fā)新型MEMS顯示技術(shù)。

　　MEMS顯示技術(shù)在生產(chǎn)上屬于一種基于先進(jìn)半導(dǎo)體的芯片制程技術(shù)，在顯示驅(qū)動(dòng)上屬于精密的電子調(diào)制系統(tǒng)控制軟件。雖然高通在技術(shù)原型的基礎(chǔ)上已經(jīng)開發(fā)成熟，但由于其固定資產(chǎn)投資、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)等軟、硬件支持方面受限制十分嚴(yán)重。