1、什么是MEMS？
MEMS全稱(chēng)Micro Electro MechanicalSystems，即微電子機械系統，其組成包括微型傳感器、微型執行器、微型架構及相應的微型處理電路。它是一個(gè)獨立的智能系統，可大批量生產(chǎn)，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。
MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時(shí)用大型蝕刻硅片結構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(xiàn)，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來(lái)的電路則包括電容感應移動(dòng)質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車(chē)安全氣囊和定位陀螺儀。
第二輪商業(yè)化出現于20世紀90年代，主要圍繞著(zhù)PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據靜電驅動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現在仍然大行其道。 第三輪商業(yè)化可以說(shuō)出現于世紀之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開(kāi)關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場(chǎng)現在蕭條，但微光學(xué)器件從長(cháng)期看來(lái)將是MEMS一個(gè)增長(cháng)強勁的領(lǐng)域。
圖1、MEMS系統
2.MEMS顯示技術(shù)發(fā)展歷程
MEMS和微光學(xué)技術(shù)結合可以實(shí)現各種微型光學(xué)器件結構，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)現光線(xiàn)的調制和操控。因此，基于MEMS的顯示技術(shù)自上世紀80年代以來(lái)得到長(cháng)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(guò)并購Iridigm獲得iMoD技術(shù)，并在2008年國際信息顯示大會(huì )上推出了全球第一款iMoD彩色顯示屏。 Mirasol顯示屏以干涉測量調制(iMoD)的反射技術(shù)為基礎，可以利用環(huán)境光線(xiàn)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顯示器還可根據周?chē)庹諚l件自動(dòng)調節，使用戶(hù)在幾乎所有環(huán)境下查看內容，包括明亮的陽(yáng)光下。iMoD元件雖然簡(jiǎn)單，卻可以提供調制、色彩選擇以及內存功能，取代了傳統有源矩陣、彩色濾光片和偏光片的作用。
2.1．Mirasol顯示屏的色彩生成機理
從根本上說(shuō)，Mirasol顯示屏是一個(gè)光諧振空穴，類(lèi)似于法布里--珀羅標準具，每個(gè)iMoD像素包含紅、綠、藍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)包含獨立的可變形反光膜與薄膜堆疊層（每層薄膜可充當光諧振空穴的一個(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成了空氣薄膜，以利于光線(xiàn)在其中反射。根據空穴的高度，反光膜所反射之特定波長(cháng)的光線(xiàn)與薄膜結構的反射光線(xiàn)之間存在微小相差，基于相差，某些波長(cháng)將發(fā)生相長(cháng)干涉，另一些則發(fā)生相消干涉，利干涉原理的色彩生成，對光線(xiàn)的使用效率要比傳統彩色濾光片高很多。通過(guò)改變反光膜狀態(tài)以調整空穴的高度，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)，光穴的變化導致光線(xiàn)在人眼不可見(jiàn)的紫外線(xiàn)波長(cháng)處發(fā)生相長(cháng)干涉，因此屏幕顯示黑色。對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，當光穴高度為160nm時(shí)，iMoD顯示綠色；300nm時(shí)，iMoD顯示藍色；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位設備，也就是說(shuō)，它可被驅動(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?？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，因為顯示器無(wú)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。因此將兩種方式結合起來(lái)使用以境加灰度級別數目。圖4表示一個(gè)iMoD像素結構，由紅、綠、藍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、光學(xué)性能和電-機行為等方面進(jìn)行了改進(jìn)，在各子像素之間設立了支撐柱，可以給予所有未被尋址的單元以機構支撐，使填充系數超過(guò)了90%。
Mirasol顯示屏另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢就是又穩態(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(shuō)Mirasol顯示屏非常適合于需要長(cháng)時(shí)間顯示固定黑白或彩色內容的電子閱讀器。Mirasol顯示屏的雙穩態(tài)性來(lái)自于制造工藝的機電屬性所固有的滯后效應。該特性源于反光膜的線(xiàn)性機械回復力與所施加電場(chǎng)的非線(xiàn)性力所固有的不平衡性，類(lèi)似于有源矩陣顯示器中的TFT元件。
圖3、第二代iMoD像素結構
僅管與傳統LCD和OLED顯示相比，Mirasol顯示屏具有響應時(shí)間快、可讀性強，功耗低、穩定性好等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，但由于其生產(chǎn)良率過(guò)低，組裝性能差，據高通透露，Mirasol顯示屏在OEM生產(chǎn)時(shí)良率僅40%-50%。雖然經(jīng)過(guò)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(kāi)始將技術(shù)授權給一些企業(yè)使用。
2.2．TMOS顯示屏工作原理
在高通努力發(fā)展Mirasol顯示屏時(shí)，一家名叫Pixtronix的美國顯示技術(shù)公司則在開(kāi)發(fā)另一種基于時(shí)序多工光學(xué)快門(mén)（TMOS）的MEMS顯示技術(shù)，Pixtronix公司與日立展開(kāi)合作并于2010年10月發(fā)布一款基于此技術(shù)的MEMS顯示器。與傳統液晶顯示器相比，耗電量?jì)H為1/2。該技術(shù)的核心是像素設計，利用MEMS快門(mén)來(lái)控制顯示器的光通量。
TMOS顯示器由負責像素處理的帶薄膜晶體管的光導管和一個(gè)被稱(chēng)為Opcuity active layer的微光薄膜構成（見(jiàn)圖4）。光導管是顯示器的核心光轉換媒介，由RGB LED發(fā)出的非平行光通過(guò)其入射，并在其中保持隨機多模TIR傳播，直到發(fā)散成為活動(dòng)像素。
圖4、TMOS系統的基本原理
Opcuity active layer包括一個(gè)基本底膜，表面的MEMS結構和一個(gè)導線(xiàn)。對于單個(gè)像素，TMOS光閥結構就是一個(gè)可變電容。光導中一個(gè)傳導平面和活躍層中的另一個(gè)傳導平面相互平行，并保有一個(gè)間隙。當像素電容產(chǎn)生電壓差的時(shí)候，靜電引力使兩個(gè)傳導平面結合到一起（見(jiàn)圖5）?？刂屏斯鈱О宓某浞烹娋湍苁箚蝹€(gè)像素穿過(guò)活性薄膜。TMOS中的時(shí)序多工是一種顯示器的圖像構成方式。對于一個(gè)全彩色圖形來(lái)說(shuō)，紅、綠和藍光依次注入，由MEMS快門(mén)決定哪種光會(huì )在何時(shí)被傳送。這個(gè)過(guò)程經(jīng)常被當稱(chēng)為場(chǎng)序色彩生成。該方法具有許多好處。第一，它與現在的構造基礎完全兼容，不需顯示制造商重建生產(chǎn)車(chē)間。第二、它不需要在結構上疊加濾光片、偏光片等光學(xué)薄膜，從而大大增加了光強。
圖5、快門(mén)控制光線(xiàn)傳導
快門(mén)開(kāi)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度。當快門(mén)關(guān)閉，沒(méi)有光源通過(guò)，呈現出黑色像素，當快門(mén)完全打開(kāi)的時(shí)候，我們看到的則是白色像素。MEMS顯示屏通過(guò)平衡大量快門(mén)的速度、其開(kāi)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、鋅與氧結晶化，實(shí)現原子之間獨特、細致的排列方式。與傳統LCD的非晶硅相比，新的結晶構造中電子遷移率提高了20--50倍。因此，采用IGZO技術(shù)MEMS快門(mén)開(kāi)關(guān)速度將會(huì )得到顯著(zhù)提高，畫(huà)面顯示也更加細膩。但MEMS屏幕也不是沒(méi)有缺點(diǎn)。就像DLP投影會(huì )產(chǎn)生“彩虹效應(rainbow effect)”那樣，當你搖頭看它時(shí)，MEMS屏幕也會(huì )產(chǎn)生類(lèi)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(wú)太大進(jìn)展。而另一科技巨頭蘋(píng)果也在悄然布局MEMS技術(shù)，蘋(píng)果在2011年開(kāi)始開(kāi)發(fā)MEMS顯示技術(shù)，并且申請了一種與LCD\OLED一起使用的混合屏幕技術(shù)專(zhuān)利，2015年4月份又通過(guò)臺積電的渠道，獲得了新竹科學(xué)園區管轄的龍潭科學(xué)園區原正崴集團(Foxlink)旗下廣達工廠(chǎng)，設立美商電子股份有限公司臺灣分公司，利用原來(lái)廣達和高通合作的Mirasol顯示屏生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)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)半導體的芯片制程技術(shù)，在顯示驅動(dòng)上屬于 精密的電子調制系統控制軟件。雖然高通在技術(shù)原型的基礎上已經(jīng)開(kāi)發(fā)成熟，但由于其固定資產(chǎn)投資、應用技術(shù)開(kāi)發(fā)等軟、硬件支持方面受限制十分嚴重。
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