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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft mikro-elektromechanische Vorrichtungen und ihre
Herstellung und insbesondere eine digitale Mikrospiegelvorrichtung
mit einem verbesserten Entwurf.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
digitale Mikrospiegelvorrichtung ("Digital Micromirror DeviceTM" – DMDTM)
ist ein Typ einer Vorrichtung eines mikroelektromechanischen Systems
(MEMS). Die 1987 bei Texas Instruments Incorporated erfundene DMD
ist ein schneller, reflektierender, digitaler Lichtschalter. Sie
kann mit Bildverarbeitung, einem Speicher, einer Lichtquelle und
Optik kombiniert werden, um ein digitales Lichtverarbeitungssystem
zu bilden, das in der Lage ist, große und helle Farbbilder mit
einem hohen Kontrast zu projizieren.
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Die
DMD wird unter Verwendung CMOS-artiger Prozesse über einem CMOS-Speicher hergestellt.
Sie weist eine Anordnung einzeln adressierbarer Spiegelelemente
auf, die jeweils einen Aluminiumspiegel aufweisen, der Licht, abhängig vom
Zustand einer darunter liegenden Speicherzelle, in eine von zwei
Richtungen reflektieren kann. Wenn sich die Speicherzelle in einem
ersten Zustand befindet, dreht sich der Spiegel zu +10 Grad. Wenn
sich die Speicherzelle in einem zweiten Zustand befindet, dreht
sich der Spiegel zu –10
Grad. Durch Kombinieren der DMD mit einer geeigneten Lichtquelle
und Projektionsoptik reflektiert der Spiegel einfallendes Licht
entweder in die Pupille der Projektionslinse oder aus dieser heraus.
Demgemäß erscheint
der erste Zustand des Spiegels hell und der zweite Zustand des Spiegels
dunkel. Eine Grauskala wird durch binäre Pulsbreitenmodulation des
einfallenden Lichts erreicht. Farbe wird durch die Verwendung von
stationären
oder drehbaren Farbfiltern in Kombination mit einem, zwei oder drei
DMD-Chips erreicht.
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DMD
können
eine Vielzahl von Entwürfen bzw.
Konstruktionen aufweisen, und der beliebteste Entwurf, der gegenwärtig verwendet
wird, ist eine Struktur, die aus einem Spiegel besteht, welcher
starr mit einem darunter liegenden Joch verbunden ist. Das Joch
ist wiederum durch zwei dünne,
mechanisch biegsame Torsionsgelenke mit Tragstäben verbunden, die an dem darunter
liegenden Substrat angebracht sind. Zwischen der darunter liegenden Speicherzelle
und dem Joch und dem Spiegel entwickelte elektrostatische Felder
bewirken eine Drehung in positiver oder negativer Drehrichtung.
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Die
Herstellung der vorstehend beschriebenen DMD-Überstruktur beginnt mit einer
fertigen CMOS-Speicherschaltung. Durch die Verwendung von sechs
Photomaskenschichten wird die Überstruktur
mit alternierenden Schichten aus Aluminium für die Adresselektrode, das
Gelenk, das Joch und Spiegelschichten und gehärtetem Photoresist für Opferschichten,
die Luftspalte bilden, hergestellt.
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DMD
mit einer Gelenkschicht mit Federspitzen sind in EP-A-0 783 124
und EP-A-0 980 014 offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung digitaler Mikrospiegel-Pixelelemente. Die
Anordnung weist eine durch drei voneinander beabstandete Schichten,
zwischen denen sich jeweils ein Luftspalt befindet, definierte Struktur
auf. Eine Spiegelschicht weist einen jedem Pixelelement zugeordneten
reflektierenden Spiegel auf. Eine Gelenkschicht ist beabstandet
unter der Spiegelschicht angeordnet und weist unter jedem Spiegel
ein Torsionsgelenk auf, das so an dem Spiegel angebracht ist, dass
sich ein Spiegel oberhalb der Gelenkschicht neigen kann. Eine Adressschicht
ist unter der Gelenkschicht beabstandet angeordnet und weist eine
Schaltungsanordnung zum Steuern des Betriebs der Pixelelemente auf.
Die Gelenkschicht weist weiter unter jedem Spiegel Federspitzen,
die mechanisch mit der Adressschicht verbunden sind, und eine Adresselektrode, die
von den Federspitzen in Bezug auf die Drehachse zur Platine hin
angeordnet ist, auf.
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Wie
im Hintergrund der Erfindung erwähnt wurde,
weisen herkömmliche
DMD-Entwürfe
unter dem Spiegel auf der Gelenkebene ein Joch auf. Während des
Betriebs setzt das Joch an Stelle des Spiegels auf einer darunter
liegenden Aufsetzfläche
auf. Das Joch weist Federspitzen auf, die für das Aufsetzen verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt es kein Joch, und der Spiegel setzt auf Federspitzen
auf, die unter dem Spiegel in der Gelenkebene stationär sind.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Jochstruktur
früherer
DMD-Entwürfe
beseitigt ist. Dies vereinfacht in hohem Maße die DMD-Struktur sowie ihre Herstellung. Verschiedene
Strukturierungs- und Ätzschritte,
die mit dem Joch verbunden sind, werden überflüssig gemacht. Es wird erwartet,
dass die Herstellung von DMD gemäß der Erfindung
die gegenwärtige
DMD-Ausbeute erheblich
vergrößert.
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Weiterhin
bewegt sich der Spiegel mit einer geringeren Trägheit als bei früheren DMD-Entwürfen, bei
denen ein Joch verwendet wurde. Dies ermöglicht schnellere Spiegelübergangszeiten.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Einzelteilansicht eines DMD-Pixelelements gemäß der Erfindung,
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2 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
und Ätzen
einer ersten Abstandsschicht,
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der Oberfläche der ersten Abstandsschicht,
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4 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
einer Gelenkmetallschicht und einer Oxidschicht,
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5 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
und Ätzen
einer ersten Abstandsschicht,
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6 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
einer Gelenkstrukturierungsschicht,
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7 ist
eine perspektivische Ansicht der Oberfläche der Gelenkschicht nach
der Strukturierung,
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8 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
einer zweiten Abstandsschicht,
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9 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
einer Spiegelmetallschicht,
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10 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch Abscheiden
einer Spiegelstrukturierungsschicht,.
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11 ist
eine Draufsicht der Spiegelelemente einer DMD-Anordnung,
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12 zeigt
die drei Schichten einer orthogonalen Ausführungsform der Erfindung, und
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13 ist
eine schematische Darstellung eines Projektionsanzeigesystems mit
einer DMD-Anordnung gemäß der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Einzelteilansicht eines DMD-Pixelelements 10 gemäß der Erfindung.
Das Pixelelement 10 ist ein Element von einer Anordnung solcher
unter Verwendung von Halbleiterfertigungstechniken auf einem Wafer
hergestellter Elemente.
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Das
DMD-Pixelelement 10 ist eine monolithisch integrierte MEMS-Überstrukturzelle, die über einer
CMOS-SRAM-Zelle 11 hergestellt ist. Zwei Opferschichten
(siehe die 2 und 10) wurden durch
Plasmaätzen
entfernt, um Luftspalte zwischen drei Metallschichten der Überstruktur
zu erzeugen. Für
die Zwecke dieser Beschreibung sind die drei Metallschichten dadurch "beabstandet", dass sie durch
diese Luftspalte getrennt sind.
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Die
oberste Metallschicht 14 weist einen reflektierenden Spiegel 14a auf.
Der Luftspalt unter dem Spiegel 14a ermöglicht es, dass der Spiegel 14a frei
um ein biegsames Torsionsgelenk 13a drehbar ist, das Teil
der zweiten Metallschicht 13 ist. Eine dritte Metallschicht
(M3-Schicht) 12 weist Adresselektroden 12a für den Spiegel 14a auf,
wobei die Adresselektroden 12a mit der SRAM-Zelle 11 verbunden sind.
Die M3-Schicht 12 weist weiter einen Vorspannungsbus 12b auf,
der die Spiegel 14a aller Pixel mit einer Bondkontaktstelle
im Außenbereich
des Chips verbindet. Ein sich außerhalb des Chips befindender Treiber
führt die
Vorspannungswellenform zu, die für einen
geeigneten digitalen Betrieb erforderlich ist.
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Die
DMD-Spiegel 14a messen jeweils 16 μm im Quadrat und bestehen aus
Aluminium, um einen maximalen Reflexionsgrad zu erzielen. Sie sind
an 17 μm
beabstandeten Zentren angeordnet, um eine Matrix mit einem hohen
Füllfaktor
(~90 %) zu bilden. Der hohe Füllfaktor
erzeugt eine hohe Wirksamkeit für
die Lichtausnutzung auf der Pixelebene und ein nahtloses (pixelierungsfreies)
projiziertes Bild. Die Gelenkschicht 13 unter den Spiegeln 14a ermöglicht eine
dichte Beabstandung der Spiegel 14, und wegen der unten
liegenden Anordnung der Gelenke wird eine Anordnung von Pixelelementen 10 als
DMD-Architektur "mit
verborgenen Gelenken" bezeichnet.
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Beim
Betrieb werden elektrostatische Felder zwischen dem Spiegel 14a und
seinen Adresselektroden 12a entwickelt, wodurch ein elektrostatisches Drehmoment
erzeugt wird. Dieses Drehmoment wirkt dem rückstellenden Drehmoment des
Gelenks 13a entgegen, um eine Spiegeldrehung in positiver
oder in negativer Richtung zu erzeugen. Der Spiegel 14a dreht
sich, bis er gegen Federspitzen 13c, die Teil der Gelenkschicht 13 sind,
zur Ruhe kommt (oder auf diesen aufsetzt). Diese Federspitzen 13c sind
an der Adressierungsschicht 12 befestigt und stellen demgemäß eine stationäre, jedoch
flexible Aufsetzfläche für den Spiegel 14a bereit.
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Die 2–10 veranschaulichen
den DMD-Herstellungsprozess. Wie nachstehend erklärt wird,
folgt dieser Prozess der herkömmlichen DMD-Fertigung bis zur
Abscheidung einer ersten Abstandsschicht S1.
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2 ist
eine Schnittansicht der Schichten eines DMD-Wafers durch die Abscheidung
der ersten Abstandsschicht (S1-Schicht) 21. Die Herstellung
der DMD-Überstruktur
beginnt mit einer fertigen CMOS-Speicherschaltung 11. Die
Schaltung 11 kann eine herkömmliche 5T- oder 6T-SRAM-Zelle
sein. Ein Dickoxid wird auf die CMOS-Oberfläche aufgebracht und dann planarisiert,
was beispielsweise durch eine chemisch-mechanische Poliertechnik
(CMP-Technik) geschieht. Der CMP-Schritt liefert ein vollkommen flaches
Substrat für
die Herstellung der DMD-Überstruktur.
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Durch
die Verwendung von Photomaskentechniken wird die M3-Schicht 12 über der CMOS-Schaltung 11 gebildet.
Diese M3-Schicht 12 wird mit Aluminium für die Adress-
und Busschaltungsanordnung gebildet. Das Aluminium wird durch Sputtern
aufgebracht und unter Verwendung von durch Plasma abgeschiedenem
SiO2 als Ätzmaske plasmageätzt. Die
M3-Schicht 12 kann in einem für DMD-Strukturen verwendeten Muster geätzt werden, wie
zuvor in US-A-6 028 690 mit dem Titel "Reduced Micromirror Gaps for Improved
Contrast Ratio" und
in US-A-5 583 688
mit dem Titel "Multi-level
Digital Micromirror Device",
die beide auf Texas Instruments Incorporated übertragen wurden, beschrieben
wurde. Es sei hier auf diese Patente verwiesen.
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Eine
mit S1 bezeichnete Abstandsschicht 21 wird dann über der
M3-Schicht 11 abgeschieden. Die Abstandsschicht 21 kann
aus gehärtetem
Photoresist bestehen. Später
beim Montagevorgang wird diese Abstandsschicht 21 plasmaverascht,
um einen Luftspalt zu bilden. Eine Anzahl von Durchgangslöchern wird
dann in der Abstandsschicht 21 durch herkömmliche
Strukturierungs- und Ätztechniken
gebildet.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der Oberfläche der ersten Abstandsschicht 21,
nachdem die Durchgangslöcher
gebildet worden sind. Sie zeigt Federspitzenträger-Durchgangslöcher 31,
Gelenkträger-Durchgangslöcher 32 und
Elektrodenträger-Durchgangslöcher 33.
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Die 4–6 zeigen
die Herstellung der Gelenkschicht 13. Wie nachstehend erklärt wird,
enthält
die Gelenkschicht 13 ein Gelenk 13a, Federspitzenausleger 13b und
Federspitzen 13c, die sich von den Federspitzenauslegern 13b erstrecken.
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Mit
Bezug auf 4 sei bemerkt, dass die Gelenkschicht 13 durch
Abscheiden der Gelenkmetallschicht 13 und einer Oxidschicht 42 gebildet
wird. Das Gelenkmetall ist typischerweise eine Aluminiumlegierung,
wie AlTiO. Ein Beispiel einer geeigneten Dicke für die Gelenkschicht 13 ist
840 Angstrom. Ein Beispiel einer geeigneten Dicke für die Oxidschicht 42 ist
5000 Angstrom.
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5 zeigt
einen Abschnitt der teilweise hergestellten DMD mit einem Durchgangsloch 31, 32 oder 33 und
das Ergebnis eines strukturierten Ätzprozesses. Das Ätzen belässt eine
Oxidbeschichtung innerhalb der Durchgangslöcher 31, 32 oder 33.
Das Oxid am Boden der Durchgangslöcher bedeckt das dünne Metall
am Boden jedes Durchgangslochs, wodurch eine Verstärkung erzielt
wird. Es wird dann ein Entwicklungsspülen oder eine andere Reinigung ausgeführt, um
Reste zu entfernen und eine Oberflächenkontamination zu verhindern.
Als eine Alternative zu einem strukturierten Ätzen könnte ein unstrukturiertes Ätzen verwendet
werden, was dazu neigen würde,
das Oxid an den Seitenwänden
der Durchgangslöcher
zu belassen. Als eine Alternative zur Oxidschicht 42 könnte ein
Metallmaterial an Stelle von Oxid abgeschieden werden.
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6 zeigt
die Abscheidung und Strukturierung einer Gelenkstrukturierungsschicht 61.
Die Strukturierungsschicht 61 wird mit einer Gelenkätzmaske
in dem in 1 dargestellten Muster geätzt. Die
Strukturierungsschicht 61 wird chemisch entfernt. Die strukturierte
Gelenkschicht 13 wird dann gereinigt.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht der Oberfläche der strukturierten Gelenkschicht 13.
Die verschiedenen Durchgangslöcher 31, 32, 33 sind ebenso
wie eine Gelenkauflage 71, auf der das Spiegeldurchgangsloch 14a enden
wird, dargestellt. Unter erneutem Bezug auf 1 sei bemerkt,
dass die Durchgangslöcher,
die nun mit abgeschiedenem Oxidmaterial gefüllt sind, hohle Tragstäbe bilden, nachdem
die Abstandsschicht 21 entfernt wurde. Zwei Federspitzen 13c befinden
sich unter jeder der zwei geneigten Ecken des Spiegels 14a.
Gemäß der Ausführungsform
aus 7 bilden das Gelenk 13a und die Federspitzen 13b ein
kontinuierliches Muster, wobei sich die beiden Federspitzenausleger 13b unter
einem Winkel von jedem Ende des Gelenks 13a erstrecken,
es sind jedoch auch andere Muster möglich. Beispielsweise können eine
oder zwei Aufsetzspitzen unter einer Orientierung von 45 Grad oder
90 Grad zu dem Gelenk verwendet werden.
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8 zeigt
das Abscheiden der zweiten Abstandsschicht (S2-Schicht) 81.
Das in 1 dargestellte Spiegeldurchgangsloch 14a wird
strukturiert und geätzt.
Der Abstandsresist wird dann getrocknet, und die Oberfläche wird
gereinigt. Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Spalt
zwischen der Spiegelschicht 14 und der Gelenkschicht 13,
verglichen mit herkömmlichen
DMD-Entwürfen,
verkleinert werden kann. Hierdurch wird die Reflexion an der Gelenkebene
in dem Spalt verringert, was zu einer besseren Bildqualität führt.
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9 zeigt
das Abscheiden einer Metallspiegelschicht 91, anhand derer
der Spiegel 14a strukturiert wird. Eine typische Dicke
der Spiegelschicht 91 beträgt 3300 Angstrom. Das Metall
für die Spiegelschicht 91 ist
typischerweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
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10 zeigt
das Abscheiden einer Spiegelstrukturierungsschicht 101,
welche zum Strukturieren des Spiegels 14a verwendet wird.
Die Spiegelschicht 14 wird strukturiert und geätzt, so
dass der Spiegel 14 aus 1 verbleibt.
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Der
Montagevorgang beginnt damit, dass die Wafer entlang den Chip-Ritzlinien bis zu
einer Tiefe teilweise gesägt
werden, die ermöglicht,
dass die Chips später
leicht auseinander gebrochen werden. Vor dem Trennen der Chips voneinander
wird jeder Chip durch ein schnelles automatisches Wafertestgerät auf die
vollständige
elektrische und optische Funktionalität getestet. Die Chips werden
dann von dem Wafer getrennt und an eine Plasmaätzvorrichtung weitergeleitet,
die verwendet wird, um die organischen Opferschichten S1 und S2
selektiv unter der Spiegelschicht 14 und der Gelenkschicht 13 zu
entfernen. Die Chips werden dann plasmagereinigt, wieder eingefettet
und hermetisch in ein Gehäuse
eingeschlossen.
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11 ist
eine Draufsicht einer Anordnung 110 von Spiegelelementen 10.
DMD-Anordnungen haben häufig
mehr als tausend Zeilen und Spalten von Pixelelementen 10.
Gekapselte DMD-Chips sind im Handel in verschiedenen Anordnungsgrößen verfügbar. Beispielsweise
wurden SVGA-(800 × 600)- und
SXGA-(1280 × 1024)-Anordnungen
hergestellt. Die Diagonalen der aktiven Fläche messen 0,7 Zoll bzw. 1,1
Zoll.
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Der
vorstehend beschriebene Entwurf ist ein "diagonaler" Entwurf, bei dem sich der Spiegel 14 um seine
Diagonale dreht. Der gleiche Entwurf kann leicht zu einem "orthogonalen" Entwurf modifiziert werden,
bei dem sich der Spiegel 14 um seine flachen Seiten dreht.
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12 zeigt
eine Adressierungsschicht 120, eine Gelenkschicht 121 und
eine Spiegelschicht 122 eines orthogonalen DMD-Entwurfs.
Drei Schichten sind mit durchgezogenen, gepunkteten bzw. unterbrochenen
Linien dargestellt. Wie bei dem vorstehend beschriebenen diagonalen
Entwurf weist die Gelenkschicht 121 ein Gelenk 121a,
Federspitzenausleger 121b und Federspitzen 121c auf.
Ein Vorteil eines orthogonalen Entwurfs besteht darin, dass ein Projektionssystem,
bei dem solche DMD verwendet werden, verkleinerte optische Weglängen und
dementsprechend eine kompaktere Größe haben kann.
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Beim
Betrieb verringert das Ausüben
von Drehmoment um die aufgesetzte Federspitze 13b während des
Aufsetzens das Ausüben
von Drehmoment in Gegenrichtung von der nicht aufsetzenden Spitze 13b.
Hierdurch wird der Neigungswinkel vergrößert. Ein Rücksetzsignal, das in die Vorspannungsleitung
eintritt, sollte nicht erforderlich sein, um einen Übergang
einzuleiten. Es wird erwartet, dass das Vorspannungspotential und
die Adressierungsspannungen zum Betätigen des Pixels 10 ausreichen,
wobei angenommen wird, dass der zeitliche Vorspannungsausschaltparameter
ausreicht, um die Vorspannung wieder anzulegen, um dadurch den gewünschten Übergang
zu erreichen. Weil die Federspitzen 13b in einem dichteren
Radius beim Gelenk 13a liegen als in dem Fall herkömmlicher
DMD-Entwürfe,
sind die Wirkungen jedes Haltedrehmoments infolge eines Anhaftens
verringert. Überdies
stellt das Pixel 10 für
die Zwecke des gewünschten
elektrostatischen Betriebs ein größeres Drehmoment für eine gegebene
Pixelelektroden-Potentialdifferenz bereit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
der größte Teil
der aktiven Drehmoment ausübenden
Flächen der
Adresselektroden und des Spiegels so weit wie möglich radial nach außen angeordnet
ist. Das Gelenkmetall kann infolge der erhöhten elektrostatischen Wirksamkeit
dicker sein.
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13 ist
eine schematische Ansicht eines Bildprojektionssystems 1300 mit
einer verbesserten Mikrospiegelvorrichtung 1302 gemäß der Erfindung. Licht
von einer Lichtquelle 1304 wird durch eine Linse 1306 auf
die Mikrospiegelvorrichtung 1302 fokussiert. Wenngleich
die Linse 1306 als eine Einzellinse dargestellt ist, besteht
sie typischerweise aus einer Gruppe von Linsen und Spiegeln, welche
gemeinsam Licht von der Lichtquelle 1304 auf die Oberfläche der
Mikrospiegelvorrichtung 1302 fokussieren und richten. Spiegel
auf der Mikrospiegelvorrichtung, die in eine Aus-Position gedreht
sind, reflektieren Licht zu einer Lichtfalle 1308, während Spiegel,
die in eine Ein-Position
gedreht sind, Licht zu einer Projektionslinse 1310 reflektieren,
die der Einfachheit halber als eine Einzellinse dargestellt ist.
Die Projektionslinse 1310 fokussiert das von der Mikrospiegelvorrichtung 1302 modulierte
Licht auf eine Bildebene oder einen Bildschirm 1312. Spiegel
im Außenrandbereich
der Mikrospiegelvorrichtung 1302 richten das auf den Randbereich
einfallende Licht zur Lichtfalle 1308, wodurch gewährleistet
wird, dass der Randbereich der Anzeige 1314 sehr dunkel
ist und ein scharfer Kontrast zum inneren Bildabschnitt 1316 der
Bildebene erzeugt wird. Eine Steuereinrichtung 1320 liefert
Zeit- und Steuersignale zum Betätigen
der Pixelelemente in der vorstehend und in den erwähnten Patenten
beschriebenen Weise.