基于MOEMS技术的光栅平动式光调制器阵列若干关键技术研究

论文摘要

目前,在显示市场中,基于MOEMS（微光机电系统）技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用。MOEMS光调制器作为显示设备的核心器件,成为带动显示技术产业链发展的一个重要分支。研究MOEMS光调制器已成为国内外信息MEMS前沿研究中的一个热点,有着重要的科学意义和良好的应用前景。本文对几种知名的MOEMS光调制器技术进行了深入的对比分析,剖析了各自的优缺点和适用领域,提出了一种新颖的面向投影显示的MOEMS器件:光栅平动式光调制器（GMLM）。论文的工作总结了对GMLM的设计、加工、测试中的关键技术和问题,最终在原理性投影演示系统上验证了它的工作原理。全文内容如下:①对比分析了国外主流MOEMS光调制器优缺点,提出了一种新颖的光栅平动式光调制器（GMLM）。它的光调制原理与GLV类似,但从结构设计上克服了GLV线阵不能形成面阵,需要外加高精度扫描装置展开二维图像的弱点。同时结构和工艺又相对于DMD等微镜装置而言比较简单,充分考虑了国内的MEMS加工水平。②分析了GMLM的工作原理,建立了GMLM的弹簧-电容等效机电模型,分析了GMLM的静态和动态特性。对电容的边缘效应进行了深入研究,对传统的平行板电容公式进行改进,推导了适用于GMLM的修正公式。此外,还推导了GMLM器件的等效弹性系数、吸合电压、工作电压、固有频率、开关速度和压膜空气阻尼系数的理论计算公式。③利用理论分析得到的计算公式,对GMLM的机械结构参数进行了设计。并以有限元仿真验证和优化了GMLM的设计参数,得到了器件的静态和动态特性数据。给出了GMLM控制和驱动系统的设计方案,确定了GMLM的驱动方式,编写了上位机控制软件,设计了以FPGA为核心的控制系统和驱动电路。④对比了国外MOEMS光调制器的工艺流程优缺点和可行性,制订了较优的GMLM工艺流程方案。剖析了三次工艺加工实践中遇到的关键问题和改进方法。在加工工艺设计和实践中,研究了悬臂梁牺牲层技术,基本解决了决定GMLM加工成败的释放、粘附、应力翘曲等关键问题,得到了可以进行原理性验证实验的GMLM阵列。同时开发出了一套适合于GMLM以及类似的MOEMS器件,以Al膜为主要材料的工艺流程,为今后的MOEMS器件的探索奠定了工艺基础。⑤考察了GMLM的测试方法和工具,进行了一系列测试和实验。通过对GMLM的表面质量进行测量,得出了表面反射率、粗糙度和表面形貌的必要参数。然后,搭建了GMLM机电特性参数测量平台,测量了GMLM的工作电压、吸合电压、吸合时间、释放时间和PWM调制能力,并得出器件的等效弹性系数、残余应力和固有频率。最后,设计并搭建了GMLM投影演示系统,进行了静态投影和动态投影实验,验证了GMLM光调制原理和投影成像原理。⑥针对实验中发现的GMLM交叉效应,提出利用滞回特性的无源驱动法和有源矩阵驱动法两种各有特色的改进方案,并针对今后大阵列的发展要求提出了GMLM与驱动电路单片集成的方案。此外,针对光栅平动式光调制器的几种主要失效模式,包括污染、静电击毁、电压超标,提出了相应的预防和改进措施。最后,总结了论文现在所做的工作的创新之处和不足之处,也对未来研究的方向作了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景技术和应用领域发展概况
• 1.2 基于MOEMS 技术的应用于显示领域光调制器技术对比
• 1.2.1 数字微镜DMD
• 1.2.2 光栅光阀GLV
• 1.2.3 其它光调制器
• 1.2.4 各种MEOMS 显示技术的优缺点和应用范围
• 1.3 研究的意义和内容
• 1.3.1 研究的意义
• 1.3.2 研究的内容
• 1.4 全文总览
• 1.5 小结
• 2 光栅平动式光调制器的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 光栅平动式光调制器（GMLM）的结构和光调制原理
• 2.3 基于光栅平动式光调制器阵列的投影光学系统
• 2.4 光栅平动式光调制器光学原理分析
• 2.5 光栅平动式光调制器电力学原理分析
• 2.5.1 GMLM 的等效机电模型和静态特性分析
• 2.5.2 考虑电容边缘效应后的修正
• 2.5.3 等效弹性系数K 的确定
• 2.5.4 GMLM 的动态特性分析
• 2.6 小结
• 3 光栅平动式光调制器的设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 以GMLM 为核心器件的投影系统构成和设计要求
• 3.3 光栅平动式光调制器的结构设计
• 3.3.1 GMLM 的光栅占空比
• 3.3.2 GMLM 的光栅常数
• 3.3.3 GMLM 的光栅周期数
• 3.3.4 GMLM 上下极板间距
• 3.3.5 GMLM 悬臂梁设计
• 3.4 光栅平动式光调制器的仿真
• 3.4.1 仿真软件CoventorWare 简介
• 3.4.2 GMLM 机电特性仿真模型的构造
• 3.4.3 GMLM 机电特性仿真结果
• 3.5 光栅平动式光调制器的控制和驱动系统设计
• 3.5.1 光调制器控制和驱动系统方案对比
• 3.5.2 GMLM 控制和驱动系统整体方案设计
• 3.5.3 GMLM 上位机控制软件设计
• 3.5.4 以FPGA 为核心的GMLM 控制电路设计
• 3.5.5 GMLM 驱动电路设计
• 3.6 小结
• 4 光栅平动式光调制器的工艺与改进
• 4.1 引言
• 4.2 工艺流程设计
• 4.2.1 适用于MOMES 器件加工的表面微加工工艺介绍
• 4.2.2 GMLM 工艺流程方案的比较与选择
• 4.3 第一次加工工艺研究
• 4.3.1 第一次加工布局
• 4.3.2 悬臂梁牺牲层技术研究
• 4.3.3 第一次加工结果与分析
• 4.4 第二次加工工艺改进
• 4.4.1 “掩埋梁”工艺研究
• 4.4.2 粘附问题研究
• 4.4.3 表面印痕
• 4.4.4 第二次加工结果与分析
• 4.5 第三次加工工艺改进
• 4.5.1 光栅平动式光调制器的翘曲问题分析
• 4.5.2 第三次加工工艺流程制订
• 4.5.3 第三次加工结果与分析
• 4.6 小结
• 5 光栅平动式光调制器的测试与实验
• 5.1 引言
• 5.2 光栅平动式光调制器表面质量测量
• 5.2.1 GMLM 的Al 膜反射率测量
• 5.2.2 GMLM 的表面形貌测量
• 5.2.3 GMLM 的Al 膜表面粗糙度测量
• 5.3 光栅平动式光调制器机电特性参数测量
• 5.3.1 GMLM 经过投影光路的成像
• 5.3.2 GMLM 的机电特性参数测量平台
• 5.3.3 GMLM 的工作电压和吸合电压测量
• 5.3.4 GMLM 的等效弹性系数K 确定
• 5.3.5 GMLM 的残余应力确定
• 5.3.6 GMLM 的固有频率确定
• 5.3.7 GMLM 的吸合时间和释放时间测量
• 5.3.8 GMLM 的频率响应特性测量
• 5.3.9 GMLM 的脉宽调制能力测量
• 5.4 以光栅平动式光调制器为核心的投影系统的构成和实验
• 5.4.1 以GMLM 为核心的投影系统的构成
• 5.4.2 静态投影原理性验证实验
• 5.4.3 GMLM 阵列静态投影实验
• 5.4.4 GMLM 阵列动态投影实验
• 5.5 小结
• 6 光栅平动式光调制器及驱动系统的改进
• 6.1 引言
• 6.2 光栅平动式光调制器驱动方法和电路的改进
• 6.2.1 方案1：GMLM 的双稳态设计和驱动
• 6.2.2 方案2：GMLM 的有源矩阵驱动设计
• 6.2.3 GMLM 的驱动电路单片集成
• 6.3 光栅平动式光调制器的失效机制分析和改进措施
• 6.3.1 污染
• 6.3.2 静电击毁
• 6.3.3 电压超标
• 6.4 小结
• 7 全文总结及工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A
• 附录 B