МАТРИЦА DMD ДЛЯ ВИДИМОГО И НЕВИДИМОГО СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области микроэлектроники, в частности рассматривает конструкцию матрица DMD-ИК, являющейся модернизированным вариантом матирицы DMD, усовершенствованной для функционирования в инфракрасном (ИК) спектре излучения. Микросхема DMD (Digital Micromirror Device, цифровая микрозеркальная матрица) усовершенствована для применения в области микроэлектроники и управлении светом, и подвергнута изменениям, позволившим в дальнейшем использовать ее в имитаторах, как в видимом, так и в невидимом спектре излучения.
Из уровня техники известна DMD-микросхема - это кремниевый кристалл КМОП-памяти (комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти) (фиг.1), на котором сформирована матрица, состоящая из квадратных алюминиевых микрозеркал 1 (журнал «PC Magazine/Russian Edition», Иван Рогожкин, статья «Проектор изнутри: DLP-технология», дата публикации: 06.04.2007) (принято в качестве прототипа), способных поворачиваться на определенный угол в одну или другую сторону. Если поместить источник света так, что в одном положении микрозеркало 1 будет направлять луч в апертуру объектива, а в другом - мимо него, на экране проектора сформируется изображение из светлых и темных пикселей (в зависимости от положения соответствующего микрозеркала 1). Каждое зеркало DMD-матрицы может находиться в трех положениях (нейтральном и двух наклонных), для формирования картинки в DLP-проекторе реально используются только два - наклонные. Поскольку угол поворота зеркала определяется геометрическими параметрами структуры, а она формируется с помощью точной кремниевой фотолитографии, все элементы DMD-матрицы оказываются практически идентичными. Размер зеркала изначально был выбран 16х16 мкм, в сегодняшних матрицах размер зеркала зависит от их разрешения, а угол отклонения достиг 12°. Каждое микрозеркало 1 располагается на столбике 2, жестко прикрепленном к качающемуся коромыслу 3, которое, в свою очередь, подвешено между двумя неподвижными столбиками 4 на тонкой, чрезвычайно упругой и прочной гибкой ленте 5, благодаря чему DLP-матрица может надежно работать много лет (по данным компании Texas Instruments, время наработки DMD-микросхемы на отказ в трехматричном проекторе достигает 76 тыс.ч. Для управления поворотами микрозеркал 1 используется явление электростатического притяжения между адресным электродом 6, смонтированном на столбике 7, и микрозеркалом 1 с коромыслом (в сборе).
Информация о состоянии каждого пикселя картинки записывается в соответствующую ему ячейку памяти 8 - обычный триггер. Его противофазные выходы подключены к адресным электродам 9 микроструктуры, а потому содержимое ячейки памяти влияет на положение зеркала.
Работа DMD-матрицы предусматривает шесть различных состояний. В состоянии готовности памяти все триггеры матрицы загружены нужной информацией (загрузка осуществляется последовательно, по строкам). В состоянии сброса все микрозеркала притягиваются к адресным электродам 9 импульсом повышенного напряжения, подаваемым на шину смещения 10, т.е. на сами зеркала. Состояние освобождения достигается, когда все зеркала освобождаются, выстраиваясь в нейтральном положении, т.е. в одной плоскости. Состояние дифференциации предусматривает подачу на шину смещения 10 промежуточного (между логическим нулем и единицей) напряжения, при котором электростатические поля между адресными электродами 6, 9 и микрозеркалом 1 подталкивают освобожденное зеркало в нужную сторону, определяемую содержимым ячейки памяти 8. В состоянии приземления на шину смещения 10 подается такое напряжение, при котором зеркала ускоренно притягиваются к адресным электродам 9, поворачиваясь на максимальный угол, при этом ограничительные выступы 11 коромысла упираются в «посадочные» зоны 12. В состоянии (процессе) загрузки памяти микрозеркала остаются неподвижными в одном из двух наклонных положений, а содержимое ячеек памяти обновляется по строкам.
В процессе работы DMD-матрица попеременно проходит шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка памяти, готовность памяти. Фаза сброса помогает преодолеть силы прилипания. При малых размерах механической структуры они настолько велики, что одной упругости ленточного подвеса для высвобождения зеркала не достаточно. Компания Texas Instruments реализовала весьма оригинальную идею - запасать энергию упругости, подобно арбалетчику, натягивающему тетиву. В фазе сброса создается сильное притягивающее электростатическое поле, упругий кончик адресного электрода прогибается, а когда электростатическое поле снимается и наступает фаза освобождения, силы упругости хватает не только на то, чтобы толкнуть микрозеркало вверх, но и чтобы оторвать коромысло от «посадочной» зоны.
На одном адресном электроде присутствует напряжение логической единицы (для пятивольтовых КМОП-структур примерно +5 В), а на другой подается логический ноль (около 0 В). В фазе дифференциации шина смещения заземлена. Возникающая сила электростатического притяжения не может повернуть зеркало до упора, она лишь немного наклоняет его в нужную сторону. Далее, в фазе приземления на шину смещения подается уже отрицательное напряжение, которое создает момент силы, достаточный для преодоления упругости подвеса и поворота зеркала на полный угол. В этой фазе оба электрода притягивают зеркало, но стремятся повернуть его в разные стороны и с разной силой. Управление зеркалами на DMD-матрице достигается филигранным изменением напряжения на шине смещения, которое формируется специальными электронными схемами, размещенными вне DMD-кристалла. В некоторые моменты электростатическое поле прижимает все зеркала к матрице, в другие - позволяет им освободиться и начать поворот, а иногда вместе с силой прилипания не позволяет сдвинуться с места, несмотря на то, что напряжение между адресными электродами может изменяться на противоположное. Все зеркала в структуре поворачиваются синхронно, что благоприятно сказывается на динамических свойствах матрицы, т.е. она хорошо передает движение.
Сердцем DLP-видеопроекторов служат DMD-чипы (Digital Micromirror Device) (Журнал «Популярная Механика», Александр Грек, статья «Свет мой, зеркальце: DLP-проектор», выпуск - Апрель 2003), которые производит компания Texas Instruments. На поверхности DMD-кристалла расположено около 1,3 млн. микроскопических зеркал, каждое из которых в пять раз меньше среза человеческого волоса и отвечает за один пиксель на проецируемом изображении. Каждое подпружиненное зеркало, управляемое своей ячейкой видеопамяти, при подаче на нее напряжения может отклоняться на небольшой угол (10-12°). Собственно изображение на экране получается так: яркий источник света направляется на кристалл DMD. Те микрозеркала, на которые подан электрический сигнал, поворачиваются и отражают световой поток в объектив, который и формирует дальнейшую картинку на экране. Микрозеркала, которые, «неактивны», отражают свет в специальную черную ловушку, задача которой - максимально поглотить свет. Чем больше угол отклонения зеркал, тем выше контрастность: не происходит паразитной засветки экрана.
В то же время DMD матрицы функционирует в режиме видимого и невидимого спектров излучения. Это обусловлено тем, что в качестве зеркала применяется кварцевое стекло, отражающее падающий луч в этих диапазонах. DMD матрица - это зеркало, которое отражает любой сигнал, в том числе волны ИК диапазона. У DMD матрицы отсутствует инерционность нагрева отражающей поверхности, что непосредственно влияет на частоту (быстроту) смены кадров при передаче изображения в ИК диапазоне. Но для того, что бы регистрировать изображение, создаваемое на основе DMD матрицы в диапазоне ИК излучения, необходим тепловизор, а точнее баллометр, входящий в состав любого оборудования с тепловизионным датчиком. Для того, что бы баллометр смог считывать изображение с DMD матрицы в ИК излучении с длинной волны более 1 мкм, необходимо увеличить тепловую чувствительность зеркала, что позволило бы тепловизионным датчикам реагировать на сигналы ИК излучения.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных качеств DMD матрицы путем замены кварцевого стекла зеркала на пластину силинида цинка для пропускания волн ИК диапазона при сохранении возможности функционирования и в режиме пропуска излучения в видимом диапазоне.
Указанный технический результат достигается тем, что в матрице DMD для видимого и невидимого спектров излучения, содержащей кремниевый кристалл комплиментарный металп-окисел-лолупроводник памяти с сформированной на нем структурой, состоящей из квадратных алюминиевых микрозеркал, установленных с возможностью поворота на угол не менее 10-12° в одну и другую сторону от нейтрального положения, для направления отраженного излучения через прозрачное окно, расположенное над указанными микрозеркалами в корпусе матрицы, в прозрачном окне центральная его часть вырезана с образованием рамки из кварцевого стекла, а в полученный проем вставлена пластина из селенида цинка для пропускания излучения в диапазонами инфракрасных волн от 1,5 до 15 мкм и в видимом спектре излучения, которая торцевыми стенками приклеена к торцевым стенкам рамки из кварцевого стекла.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 показана структура DMD-микросхема по прототипу;
фиг.2 - матрица DMD с замененным на ZnSe (селенид цинка) окном.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция матрицы DMD для видимого и невидимого спектров излучения, которая включает в себя кремниевый кристалл комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти с сформированной на нем структурой, состоящей из квадратных алюминиевых микрозеркал 1, установленных с возможностью поворота на угол не менее 10-12° в одну и другую сторону от нейтрального положения, для направления отраженного излучения через прозрачное окно 13, расположенное над указанными микрозеркалами 1 в металлизированном корпусе 14 матрицы на расстоянии 1,1 мм.
Каждое микрозеркало DMD-матрицы (фиг.1) может находиться в трех положениях (нейтральном и двух наклонных), но рабочими для формирования картинки в DLP-проектореявляются только два наклонных положения. Каждое микрозеркало 1 располагается на столбике 2, жестко прикрепленном к качающемуся коромыслу 3, которое, в свою очередь, подвешено между двумя неподвижными столбиками на тонкой, чрезвычайно упругой и прочной гибкой ленте 5. Для управления поворотами микрозеркал используется явление электростатического притяжения между адресным электродом 6 и микрозеркалом 1, закрепленным на коромысле 3. Данная контррукция описана применительно к прототипу.
При производстве DMD матриц используется стандартная кремниевая технология. На кристалле формируется матрица запоминающих элементов размером 8004600, 10244768 или больше с двумя слоями металлизации для межсоединений. Третий слой металлизации образует адресные электроды 9 и шину смещения 10 с «посадочными» зонами 12. Сверху создается структура, в которой пространство между металлическими элементами сначала заполняется слоем органического вещества, который впоследствии удаляют в установке плазменного травления. Окантовка микрозеркального поля зачерняется, чтобы вокруг экрана DLP-проектора не было паразитной засветки. Готовый кристалл помещают в металлокерамический корпус 14 с прозрачным окном 13 из кварцевого стекла на месте верхней крышки. Контактные площадки 15 по периметру кристалла соединяют с выводами корпуса тонкими золотыми проводниками. С обратной стороны корпуса в центре располагается прямоугольное металлизированное поле для отвода тепла от DMD-матрицы, а по периметру размещены позолоченные контактные площадки.
Для придания DMD матрице расширительных качеств в части возможности регистрации волн ИК диапазона согласно настоящей полезной модели предлагается заменить существующее окно 13 (кварцевое стекло) на материал, который бы пропускал волны ИК диапазона. Волны ИК излучения пропускают такие материалы как: флюориты (фтористый барий, фтористый кальций, фтористый калий), германий и силинид цинка. Из всего перечисленного только силинид цинка (ZnSe) пропускает как невидимый спектр ИК волн, так и видимый спектр световых волн. При замене кварцевого стекла окна матрицы на пластину ZnSe (селенид цинка) появляется возможность использовать матрицу в широком диапазоне ИК волн: от ближнего (1-1,5 мкм) до дальнего (до 12-15 мкм). Эта модернизация позволит применять DMD матрицу в проекторах и имитаторах работающих с разными диапазонами инфракрасных волн.
Для этого в прозрачном окне центральная его часть вырезается для образования из оставшейся части кварцевого стекла рамки 16, а в полученный проем вставляют пластину 17 из селенида цинка, которую торцевыми стенками приклеивают к торцевым стенкам рамки из кварцевого стекла.
Усовершенствование DMD матрицы проводилось следующим образом. Для осуществления полезной модели взята DMD матрица от проектора Acer XI 261. Замена стекла на матрице производилась с применением самоохлаждающегося диска с гальваническим алмазным напылением. Кварцевое стекло матрицы расположено выше уровня контактных проводников на 1,1 мм, что позволяет сделать аккуратный срез по периметру окна, не повредив контакты матрицы. Далее стекло снимается с матрицы и на его место приклеивается пластина ZnSe толщиной 1 мм. Пластину ZnSe размерами 15х18 мм приклеивают по периметру к окну матрицы используя теплопроводящий электроизоляционный Компаунд заливочный марки КПТД-1/1Т-5,50(К1). Контроль за качеством исполнения осуществляют путем установки новой матрицу в проектор для проверки работоспособности матрицы.