DE69322845T2

DE69322845T2 - Verbessertes bistabiles Adressierungsverfahren für ein DMD

Info

Publication number: DE69322845T2
Application number: DE69322845T
Authority: DE
Inventors: Richard O. Richardson Tx 75082 Gale Jr.
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1992-10-15
Filing date: 1993-10-14
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: KR100284016B1; US5382961A; CA2107756C; TW245838B; CA2107756A1; DE69322845D1; US5285196A; EP0601309A1; JPH06308397A; EP0601309B1; JP3492400B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf digitale Mikrospiegelvorrichtungen (DMD's), die auch als verformbare Spiegelvorrichtungen bekannt sind, und insbesondere auf ein Verfahren zum Adressieren einer Matrix aus Pixeln, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Ein solches Verfahren ist in EP-A-0 467 048 beschrieben. Diese Druckschrift setzt sich mit dem Problem der Halbbildaktualisierung einer DMD auseinander, die bei einer HDTV-Fernsehanwendung verwendet wird, um die minimal erforderliche Halbbildzeit zu erzielen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

DMD's haben zahlreiche Anwendungen auf den Gebieten der optischen Informationsverarbeitung, der Projektionsanzeigen und des elektrostatischen Druckens gefunden. Quellen dazu sind in L. Hornbeck, 128 X 128 Deformable Mirror Device, 30 IEEE Tran. Elec. Dev. 539 (1983) angeführt.
Eine große Anzahl der Anwendungen, die bei Hornbeck beschrieben sind, verwenden DMDs, die in einem bistabilen Modus betrieben werden, wie es in dem US-Patent Nr. 5 096 279 beschrieben ist. Die Einzelheiten dieser Patentschrift werden hierin in einigen Details zusammengefaßt. Kurz gesagt kann im bistabilen Modus einer DMD ein auslenkbarer Balken oder Spiegel zu einem von zwei Anschlagswinkeln, ±θL, durch darunterliegende Elektroden ausgelenkt werden, an die eine Adreßspannung angelegt wird. An beiden Anschlagswinkeln (±θL) steht ein Ende des auslenkbaren Spiegels in Kontakt mit einem darunterliegenden Vorrichtungssubstrat.
Um die Anforderung an die Adreßspannung zu erniedrigen, wie in der US-Patentschrift Nr. 5 096 279 erläutert wird, wird eine Vorspannung an den Spiegel relativ zu den Adreßelektroden angelegt. Die Vorspannung dient dazu, Energiepotentialminima zu erzeugen. Die Größe der Vorspannung bestimmt, ob der auslenkbare Spiegel und seine zugehörige Adreß- und Vorspannungsschaltungsanordnung in einem monostabilen, tristabilen oder bistabilen Modus entsprechend zu einem, drei bzw. zwei Energiepotentialminima betrieben werden. Die erforderliche Adreßspannung variiert darüber hinaus mit der Größe der Vorspannung, und typischerweise wird die Vorspannung so augewählt, daß die Adreßspannungen mit 5V-CMOS Grenzen arbeiten können. Zum Beispiel erfordert eine typische bistabile DMD, die ohne Vorspannung betrieben wird, eine 16 Volt Adresse. Bei einer Vorspannung von -10 V arbeitet die DMD in dem tristabilen Modus und erfordert eine +10 V Adresse. Bei einer Vorspannung von -16 V arbeitet die DMD in dem bistabilen Modus und erfordert nur eine +5 V Adresse. Aus diesem Beispiel wird deutlich, daß es für die Kompatibilität mit herkömmlichen 5 V- CMOS-Adreßschaltungsanordnungen erforderlich ist, in dem bistabilen Modus zu arbeiten, der bidirektionale Operation und Adressierung erfordert. Wenn die Vorspannung an den auslenkbaren Spiegel angelegt wird, bewirken weitere Veränderungen der Adreßelektroden innerhalb der normalen Operationsgrenzen keine Veränderungen des Zustands des auslenkbaren Spiegels, da die Adreßspannung nicht ausreicht, um die Potentialbarriere zwischen dem stabilen Zustand, in dem der Spiegel ruht, und dem anderen stabilen Zustand zu überwinden, der in einem bistabilen Modus existiert. Um stabile Zustände zu verändern, ist es erforderlich, die Vorspannungen zu entfernen, um es dem auslenkbaren Spiegel zu ermöglichen, auf die Spannung der Adreßelektrode zu reagieren.
Bei zum Stand der Technik gehörenden DMD's hat sich gezeigt, daß dann, wenn ein auslenkbarer Spiegel ausgelenkt wird und in Kontakt mit den Anschlagsstellen auf dem DMD-Substrat steht, es erforderlich ist, eine Rücksetzfolge einer hohen Spannung und einer hohen Resonanzfrequenz anzulegen, um es zu ermöglichen, daß der adressierte Zustand des Spiegels sich ändert. Die Rücksetzfolge war so eingerichtet, daß sie Haftschwierigkeiten, die durch Van der Waalsche Kräfte oder Oberflächenkontaminierung verursacht wurden, überwandt. Diese Haftungsprobleme bringen den Balken dazu, sich verändernden Zuständen zu widersetzen, und zwar unabhängig von der Bedingung der Adreßelektroden unter dem Balken.
Aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 11, Nr. 334 (S. 631), 31. Oktober 1987 und JP-A-62-116 925 ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer Flüssigkristallanzeige bekannt. Wechselspannungsimpulse, die durch überlagerte Wechselspannungsimpulse erzeugt werden, deren Frequenz größer als die von Anzeigesteuerimpulsen ist, werden an das Anzeigeelement angelegt, um eine Beeinträchtigung des Anzeigeelements und eine Abnahme des Kontrasts zu verhindern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erkennt die Tatsache, daß die Rücksetzspannung um so größer sein muß, um das Pixel freizugeben, je länger der Spiegel und die Anschlagselektrode in ununterbrochener Weise in Kontakt zueinander stehen. Die Zeitdauer, während der der Spiegel und die Anschlagselektrode in ununterbrochener Weise in Kontakt zueinander stehen, wird als Ruhezeit bezeichnet werden. Typische Rücksetzspannungen liegen in dem Bereich zwischen 12 und 25 V bei Ruhezeiten, die von Millisekunden bis zu Sekunden reichen. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Ruhezeit zu minimieren, wodurch die erforderlichen Rücksetzspannungen vermindert werden, oder das Rücksetzen mit hoher Spannung und hoher Resonanzfrequenz insgesamt zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren des oben genannten Typs, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 umfaßt.
Bei der vorliegenden Erfindung überlagert ein Wechselspannungssignal ein normales Gleichspannungsvorspannungssignal, wie es oben beschrieben wurde. So ist es möglich, den Spiegel bis zu seiner vollständigen Auslenkung (±θL) zu kippen, ohne daß ein verlängerter ununterbrochener Kontakt mit dem darunterliegenden DMD-Substrat auftritt. Gibt man dem Wechselspannungssignal eine relativ kleine Amplitude, so wird das optische Leistungsvermögen des Mikrospiegels nicht beeinträchtigt, da die kleinen überlagerten Spiegelauslenkungen in bezug auf die adressierte Auslenkung zum Spiegelanschlagswinkel (±θL) unbeachtlich sind. Dennoch kann das Wechselspannungssignal so ausgewählt werden, daß es eine ausreichend große Amplitude aufweist, um periodisch den Kontakt zwischen dem Spiegel und dem DMD-Substrat zu unterbrechen, wodurch die Bildung von chemischen Bindungen und die Kondensation von Flüssigkeit verhindert wird, was zum Haften des Spiegels an dem DMD-Substrat führen kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform schafft ein Verfahren zum Adressieren einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD) mit einer Matrix aus elektromechanischen Pixeln, die auslenkbare Balken umfassen, wobei jedes der Pixel einen von zwei oder mehreren ausgewählten stabilen Zuständen entsprechend einem Satz ausgewählter Adreßspannungen annimmt. Ein erster Schritt des bevorzugten Verfahrens besteht im elektromechanischen Festhalten, indem eine Vorspannung mit einer Wechselspannungs- und einer Gleichspannungskomponente an die Matrix aus Pixeln angelegt wird, wobei sich jedes der Pixel in einem der ausgewählten stabilen Zustände befindet. Ein zweiter Schritt ist das Anlegen eines neuen Satzes ausgewählter Adreßspannungen an alle Pixel in der Matrix. Ein dritter Schritt ist das elektromechanische Freigeben, indem die Vorspannungen von der Matrix entfernt und die Pixel aus ihren vorher adressierten Zuständen befreit werden. Ein vierter Schritt ermöglicht es der Matrix aus Pixeln, einen neuen Zustand gemäß einem neuen Satz ausgewählter Adreßspannungen anzunehmen. Ein fünfter Schritt ist das elektromechanische Festhalten jedes der Pixel durch erneutes Aufbauen der Vorspannung mit der Wechselspannungskomponente und der Gleichspannungskomponente.
Die Beseitigung der Rücksetzschaltungsanordnung hoher Spannung und hoher Resonanzfrequenz und der zugehörigen Schaltvorrichtungen stellt eine beträchtliche Systemvereinfachung und Kostenverminderung ohne Verminderung der Leistungsfähigkeit dar. Tatsächlich sollte das Leistungsvermögen leicht verbessert sein, da die Zeit zum Anlegen der Rücksetzfolge eliminiert wird und zum Anzeigen von Daten verwendet werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Um die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile noch besser verstehen zu können, wird nun Bezug auf die nachfolgende Beschreibung genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a-c in einer perspektivischen Querschnittsaufrißansicht und in Draufsichten eine die Funktionen zeigende Wiedergabe eines Pixels einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Auslenkung eines Spiegels der bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3a-c ein zum Stand der Technik gehörendes Verfahren eines Rücksetzvorgangs mit hoher Spannung und hoher Resonanzfrequenz für eine zum Stand der Technik gehörende DMD;
Fig. 4 ein Vorspannungsverfahren für den Spiegel der bevorzugten Ausführungsform, das die Notwendigkeit für ein Zurücksetzen mit hoher Spannung und hoher Resonanzfrequenz vermeidet;
Fig. 5a-c schematisch die Verwendung der DMD der bevorzugten Ausführungsform für das elektrophotographische Drucken;
Fig. 6a eine Draufsicht auf eine Teilmatrix von Spiegeln der bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 6b eine Draufsicht auf einen Spiegel gemäß der bevorzugten Ausführungsform, die wichtige verborgene Merkmale darstellt;
Fig. 6c eine detaillierte Querschnittsansicht, wie in der Fig. 6b angezeigt, eines Spiegels der bevorzugten Ausführungsform; und
Fig. 7a-d in Teilaufrißansichten die fortlaufende Herstellung eines Spiegels der bevorzugten Ausführungsform.
Gleiche Bezugsziffern und Zeichen in den verschiedenen Figuren beziehen sich auf entsprechende Teile, wenn es nicht anders angezeigt ist.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Fig. 1a-c zeigen in perspektivischen, Querschnittsaufriß- und Draufsichten eine die Funktionen darstellende Wiedergabe eines Spiegels einer bevorzugten Ausführungsform. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß das Pixel 20 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Balken 30 und die Elektroden 42 oder 46 auf dem Substrat 22 betrieben wird. Der Balken 30 und die Elektroden bilden die zwei Platten eines Luftspaltkondensators und die entgegengesetzten Ladungen, die auf den beiden Platten durch die angelegte Spannung induziert werden, üben eine elektrostatische Kraft aus, die den Balken 30 zum Substrat 22 zieht, wobei die Elektroden 40 und 41 auf der gleichen Spannung wie der Balken 30 gehalten werden. Die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden 42, 46 und dem Balken 30 bringt den Balken 30 dazu, sich an den Gelenken 34 und 36 zu verdrehen und dazu, gegen das Substrat 22 abgelenkt zu werden.
Die Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der Ablenkung eines Balkens 30, wobei die Ladungen angezeigt sind, die sich in den Bereichen des schmalsten Luftspalts bei einer an die Elektrode 42 angelegten positiven Spannung konzentrieren. Bei Spannungen in dem Bereich zwischen 20 und 30 Volt liegt die Ablenkung in dem Bereich von 2 Grad. Selbstverständlich würde dann, wenn das Gelenk 34 länger, dünner oder schmaler gemacht werden würde, die Ablenkung zunehmen, da die Nachgiebigkeit des Gelenks 34 linear von dem Reziprokwert seiner Breite und direkt von dem Quadrat seiner Länge und dem Reziprokwert der dritten Potenz seiner Dicke abhängt. Bei einer DMD, die in ihren bistabilen Modus arbeitet, ist der Balken so ausgelegt, daß die Auslenkung des Balkens 30 durch die Anschlagswinkel ±θL definiert wird, wobei hier der Balken 30 das DMD-Substrat an den Anschlagselektroden 40, 41 berührt. Es ist anzumerken, daß die Dicke des Balkens 30 eine merkliche Krümmung des Balkens 30 aufgrund von während der Verarbeitung erzeugter Oberflächenspannung verhindert, daß jedoch die geringe Dicke des Gelenks 34 eine starke Nachgiebigkeit ermöglicht. Die Fig. 2 zeigt darüber hinaus die Lichtreflexion von dem ausgelenkten Balken 30, wie sie während des Betriebs der DMD auftreten kann.
Die Fig. 3a-c zeigen ein zum Stand der Technik gehörendes Rücksetzverfahren, das eine Impulsfolge von fünf Rücksetzimpulsen verwendet. Die Verwendung einer Impulsfolge bei diesem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren ermöglichte es, die Frequenz der Impulsfolge einzustellen. Insbesondere dann, wenn die Frequenz der Impulsfolge nahe an der Resonanzfrequenz der Torsionsgelenkbiegung (nichtumlaufende Biegung) liegt, dann wird die maximale Energie in den Biegungsmodus übertragen und es kann eine kleinere Rücksetzspannung verwendet werden. Die Fig. 3b zeigt die minimale zum Rücksetzen benötigte Spannung als Funktion der Frequenz für das gemäß dem Stand der Technik durchgeführte Impulsfolgezurücksetzen, das bei einer bestimmten DMD durchgeführt wurde, die eine lineare Matrix aus 840 Pixeln aufwies, wobei jedes Pixel dem der ersten bevorzugten Ausführungsform entsprach. Die Fig. 3c zeigt den Einfluß der Anzahl der Impulse der Rücksetzimpulsfolge, wenn die Frequenz der Impulse der Resonanzfrequenz entspricht. Die minimale Rücksetzspannung nimmt ab, wenn die Anzahl der Impulse auf fünf erhöht wird. Geht man über fünf Impulse hinaus, so läßt sich keine weitere Verminderung der minimalen Rücksetzspannung beobachten. Offensichtlich ist es bei mehr als fünf Impulsen so, daß die kinetische Energie groß genug ist, so daß die Energieverluste aufgrund von Luftdämpfung gerade die Energie ausgleichen, die für jeden zusätzlichen Impuls gewonnen wird. Es ist anzumerken, daß trotz der Verminderung der minimalen Rücksetzspannung auf ungefähr 20 V bei diesem zum Stand der Technik gehörenden Rücksetzverfahren Schwierigkeiten beim Entwerfen von Schaltungsanordnungen auftreten, die eine Rücksetzimpulsfolge hoher Spannung und hoher Frequenz erzeugen sollen.
Die Fig. 4 zeigt das Vorspannungsverfahren der vorliegenden Erfindung, das die Rücksetzimpulse und die Schaltungsanordnung von zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtungen umgeht. Das US-Patent Nr. 5,096,279 beschreibt das Adressierungs- und Vorspannungsschema einer typischen bistabilen DMD im einzelnen. Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß ein bistabiles Pixel 20 dadurch adressierbar gemacht werden kann, daß eine bevorzugte Drehrichtung festgelegt wird. Wenn beide Adreßelektroden 42 und 46 an Masse gelegt werden, dann werden geringe Abweichungen den Balken 30 dazu bringen, sich in zufälliger Weise zu drehen und auf eine der Anschlagselektroden 40, 41 beim Anlegen der Differenzvorspannung VB an den Balken 30 und die Anschlagselektroden 40 und 41 zu fallen. Wenn jedoch vor dem Anlegen der Differenzvorspannung VB die Adreßelektrode 46 auf ein Potential eingestellt wird, dann wird ein Nettodrehmoment erzeugt, um den Balken 30 zur Anschlagselektrode 41 zu drehen. In symmetrischer Weise wird das Anlegen des Auslösepotentials an die Adreßelektrode 42 den Balken 30 zur Anschlagselektrode 40 beim Anlegen der Differenzvorspannung VB drehen.
Unter Bezug auf die Fig. 4 ist zu erkennen, daß bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wechselspannungssignal dem normalen Gleichspannungsvorspannungssignal VB, das oben beschrieben wurde, überlagert wird. Dieses Wechselspannungssignal besitzt eine kleine Amplitude V&sub1;, die für einen optimalen Betrieb eingestellt werden kann. Natürlich können auch andere Signalformen (z. B. Sinus- oder Dreieckswellen) verwendet werden. Solange VB aufrechterhalten wird, bleibt der Balken 30 in einem stabilen Zustand, und zwar unabhängig von dem Zustand der Adreßelektroden (solange die an die Adreßelektroden 42, 46 angelegte Spannung nicht ausreicht, um die Potentialwanne, in der der Balken durch die Vorspannungsspannung VB gehalten wird, zu überwinden). Auf diese Weise ist es möglich, den Balken oder Mikrospiegel 30 in seinen Zustand voller Auslenkung (±θL) zu kippen, ohne daß ein verlängerter nicht unterbrochener Kontakt mit dem darunterliegenden DMD-Substrat auftritt. Wird das Wechselspannungssignal so eingerichtet, daß es eine relativ kleine Amplitude V&sub1; aufweist, so wird der optische Betrieb des Mikrospiegels 30 nicht beeinträchtigt, da die kleinen überlagerten Auslenkungen des Mikrospiegels 30 in bezug auf die adressierte Auslenkung mit dem Spiegelanschlagswinkel (±θL) unbeachtlich sind. Trotzdem kann das Wechselspannungssignal so ausgelegt werden, daß es eine Amplitude V&sub1; aufweist, die groß genug ist, um den Kontakt zwischen dem Spiegel und dem DMD-Substrat periodisch zu unterbrechen, wodurch die Bildung von chemischen Bindungen und die Kondensation von Feuchtigkeit verhindert werden können, die dazu führen können, daß der Mikrospiegel 30 und das DMD-Substrat aneinander haften. Die Periode des Wechselspannungssignals, τr, entspricht vorzugsweise dem Reziprokwert der Resonanzfrequenz der Torsionsgelenkbiegung (nichtumlaufende Biegung), die bei der bevorzugten Ausführungsform ungefähr 0,2 us beträgt. Nach Beendigung einer Bildperiode, τf, wird die Vorspannungsspannung VB von dem Balken 30 entfernt, und der Balken 30 wird auf ein Nullpotential gelegt, was den Anfang einer Spiegelfreigabezeitperiode t&sub1; markiert. Während dieser Periode t&sub1; nehmen die Balken 30 neutrale Positionen ein. Alternativ dazu kann während der Freigabezeitperiode t&sub1; ein Wechselspannungssignal immer noch angelegt werden, um als Rücksetzimpulsfolge mit niedriger Spannung zu wirken. Wiederum kann die Amplitude V&sub2; und die Dauer des Wechselspannungssignals für den bestmöglichen Betrieb eingestellt werden. Vorzugsweise beträgt die Periode dieses Signals τr. Nach einer hinreichend langen Periode, die bei einer bevorzugten Ausführungsform ungefähr 12 bis 15 us beträgt, wird die Vorspannung VB wieder an den Balken 30 und die Anschlagselektroden 40, 41 angelegt. Während einer Spiegelfesthaltezeitperiode t&sub2; nehmen die Spiegel ihre neuen Positionen ein. Nach der Festhaltezeitperiode t&sub2;, die typischerweise zwischen 12 und 15 us liegt, haben sich die Spiegel in ihren neu adressierten Positionen eingerichtet, und neue Daten können zur DMD adressiert werden. Während der Spiegelfesthaltezeitperiode t&sub2; kann das Wechselspannungssignal angelegt sein oder nicht (wenn die Spiegelfesthaltezeitperiode angemessen kurz ist). Während des Rests der Anzeigebildperiode τf werden die Pixel 20 in ihren stabilen Zuständen gehalten, die sie während des vorherigen Anzeigebildes einnahmen, während neue Daten aktualisiert und auf die Adreßelektroden 42, 46 gesetzt werden.
Die Minimierung oder Eliminierung der Rücksetzspannung bringt als zusätzliche Vorteile das Minimieren der Möglichkeit eines dielektrischen Versagens auf dem DMD-Chip und eine Verminderung der Komplexität der Stromversorgung mit sich. Wie bereits vorher erwähnt, bringt die Eliminierung der Hochspannungs-Hochfrequenz-Resonanzrücksetzschaltungsanordnung und der zugehörigen Schaltvorrichtungen eine beträchtliche Vereinfachung des Systems und eine Verminderung der Kosten ohne Verminderung der Leistungsfähigkeit mit sich. Die Leistung sollte sogar leicht erhöht sein, da die zum Anlegen der Rücksetzsequenz erforderliche Zeit eliminiert wird und zum Anzeigen von Daten verwendet werden kann.
Eine Linearmatrix 310 mit Pixeln 20 der bevorzugten Ausführungsform kann zum elektrophotographischen Drucken verwendet wer den, wie es schematisch in den Fig. 5a-c dargestellt ist. Die Fig. 5a ist eine Perspektivansicht und die Fig. 5b-c sind Aufriß- und Draufsichten, die das System 350 darstellen, das eine Lichtquelle mit Optik 352, eine Matrix 310, eine Abbildungslinse 354 und eine photoleitfähige Trommel 356 aufweist. Das Licht von der Quelle 352 weist die Form eines Blattes 358 auf und beleuchtet die lineare Matrix 310. Das Licht von den Flächen zwischen den Pixeln 20 bildet das Blatt 360, das das spiegelnd reflektierte Lichtblatt ist. Das Licht, das von den negativ ausgelenkten Balken reflektiert wird, bildet das Blatt 361. Das Licht, das von den positiv ausgelenkten Balken 30 reflektiert wird, läuft durch die Abbildungslinse 354 in dem Blatt 362 und wird auf der Trommel 356 in der Linie 364 in Form einer Folge von Punkten fokussiert, wobei jeder abgelenkte Balken 30 einem Punkt entspricht. So kann eine Seite mit Text oder ein Rahmen mit Graphikinformationen, die digitalisiert worden sind, und sich im Rasterabtastungsformat befinden, gedruckt werden, indem die Informationen zeilenweise zur Matrix 310 geliefert werden, um zeilenweise 364 Punkte auf der Trommel 356 zu bilden, während sich die Trommel 356 dreht. Diese Punktbilder werden durch Standardverfahren wie die Xerographie auf Papier übertragen. Wenn Null der Auslenkungswinkel des Balkens 30 ist, wenn er auf dem Anschlagselektroden 41 ist, dann ist das Blatt 362 senkrecht zur linearen Matrix 310, wenn der Einfallswinkel des Blatts 358 20º zur Senkrechten zur linearen Matrix 310 beträgt. Diese Geometrie ist in der Fig. 5b dargestellt und ermöglicht es, daß die Abbildungslinse 354 senkrecht zur linearen Matrix 310 ausgerichtet wird. Jeder positiv ausgelenkte Balken erzeugt ein Bild 355 der Lichtquelle 352 auf der Abbildungslinse 354, wie es schematisch in der Fig. 5c für Dreistrahlen dargestellt ist.
Die Fig. 6a-c zeigen eine Draufsicht, eine Draufsicht, die die wichtige verborgene Merkmale darstellt, und einen detaillierten Querschnitt einer Teilmatrix aus Spiegeln der bevorzugten Ausführungsform. Diese Struktur gemäß der bevorzugten Ausführungsform verwendet eine mehrstufige Struktur auslenkbarer Spie gel und ein Verfahren zur Herstellung wird von Hornbeck in dem US-Patent Nr. 5,083,857 beschrieben. Wie in der Fig. 6a dargestellt, stellt diese Struktur eine stark vergrößerte Fläche der drehbaren reflektierenden Oberfläche für eine bestimmte Pixelgröße bereit. Die darunterliegenden Gelenke, Adreß- und Anschlagselektroden sind in der Fig. 6b durch gestrichelte Linien dargestellt. Der Balkenträgerpfosten 201 stellt die steife Verbindung zwischen dem Balken 200 und dem darunterliegenden Torsionsgelenk 401 her. Die Einzelheiten des darunterliegenden Gelenks und der darunterliegenden Elektroden sind in der Fig. 6b dargestellt. Der Balkenträgerpfosten 201 ermöglicht es dem Balken 200, sich unter der Steuerung der Gelenke 401 zu drehen, die wiederum mit den Pfosten 406 verbunden sind. Dieses ermöglicht es einer drehbaren Fläche (Balken) 200, sich unter der Steuerung einer durch die Pfosten 403 getragenen Elektrode zu drehen. Der Balken 200 schlägt an der Anschlagselektrode 405 an. Der Kontakt 402 erstreckt sich durch das Substrat und steht in Kontakt zur darunterliegenden Adreßelektronik. Der Aufbau und die Arbeitsweise dieser Vorrichtung werden hier später beschrieben. Die Fig. 6c zeigt die Rotation 200a des Balkens 200 zum Anschlagswinkel -θL und die Rotation 200b zum Anschlagswinkel +θL. Es sind auch die Adreßelektroden 404 dargestellt, die die Bewegung (200a, 200b) steuern, und die Anschlagselektroden 405, die am anderen Ende der Wippenbewegung des Balkens 200 liegen. Die Art und Weise, wie die Drehbewegung des Balkens 200 gesteuert wird, ist im einzelnen in dem am 26. November 1990 eingereichten US-Patent Nr. 5,096,279 beschrieben.
Die Prozeßfolge für die Herstellung der Architektur der verborgenen Gelenke ist in den Fig. 7a-7d dargestellt und besteht aus der Bildung von fünf Schichten (Gelenkabstandsschicht, Gelenk, Elektrode, Balkenabstandsschicht und Balken). In der Fig. 7a ist zu erkennen, daß der Prozeß mit einer fertiggestellten Adreßschaltung 503 beginnt, die Kontaktöffnungen umfaßt, die in dem Schutzoxid 501 der Adreßschaltung gebildet sind. Das Verfahren zur Herstellung der Adreßschaltung ist typischerweise ein Doppelmetallschicht/Poly-CMOS-Prozeß. Die Kontaktöffnungen ermöglichen den Zugang zu den Anschlußflächen des Metalls (METL2) 502 der zweiten Stufe und zu den METL2-Adreßschaltungsausgangsknoten.
Die Gelenkabstandsschicht 701 der Fig. 7a wird dann über der Adreßschaltung nach dem Aufschleuderbeschichtungsverfahren aufgebracht und mit Löchern 702 strukturiert, die die Gelenkträgerpfosten und die Elektrodenträgerpfosten und Kontakte bilden werden. Diese Abstandsschicht ist typischerweise 0,5 um dick und besteht aus einem positiven Photoresist, das bei einer Temperatur von bis zu 200ºC unter UV-Strahlung gehärtet wurde, um ein Verfließen während nachfolgender Prozeßschritte zu verhindern.
Wie es in der Fig. 7b dargestellt ist, werden die nächsten zwei Schichten 703 und 704 durch den sogenannten "vergrabenen Gelenkprozeß" gebildet. Eine Aluminiumlegierung, die das Gelenk bildet, wird durch Sputtern auf der Gelenkabstandsschicht abgeschieden. Diese Legierung ist typischerweise 750 Å dick und besteht aus 0,2% Ti, 1% Si und dem Rest Aluminium. Ein Maskierungsoxid wird nach dem Plasmaverfahren abgeschieden und in der Form von Gelenken 401 strukturiert. Dieses Gelenkoxid wird dann durch eine zweite Aluminiumlegierungsschicht 704 vergraben, die dazu dient, die Elektrode zu bilden (typischerweise 3000 Å dick).
Ferner wird gemäß der Fig. 7b ein Maskierungsoxid nach dem Plasmaabscheidungsverfahren abgeschieden und in der Form der Elektroden 404, der Elektrodenträgerpfosten 406 und des Balkenkontaktmetalls 405 strukturiert. Als nächstes wird eine einzige Plasmaaluminiumätze verwendet, um die Gelenke, Elektroden, Trägerpfosten und das Balkenkontaktmetall zu strukturieren. Das über dem Gelenkbereich liegende Elektrodenmetall wird weggeätzt, wodurch das vergrabene Gelenkoxid freigelegt wird, das als Ätzstopp wirkt. Wenn die Plasmaaluminiumätzung abgeschlossen ist, sind die Bereiche des dünnen Gelenkmetalls 703 und des dicken Elektrodenmetalls 704 gleichzeitig strukturiert worden. Das Maskierungsoxid wird dann durch eine Plasmaätzung entfernt.
Als nächstes wird, wie in der Fig. 7c dargestellt, eine Balkenabstandsschicht 705 nach dem Aufschleuderbeschichtungsverfahren über den Gelenken und Elektroden abgeschieden und mit Löchern strukturiert, die die Balkenträgerpfosten 201 bilden werden. Die Abstandsschicht 705 bestimmt die Torsionsbalkenwinkelauslenkung, ist typischerweise 1,5 um dick und besteht aus einem positiven Photoresist. Es wird bei einer Temperatur bis zu 180ºC unter UV- Strahlung gehärtet, um ein Verfließen während nachfolgender Prozeßschritte zu verhindern. So tritt keine Verschlechterung der Gelenkabstandsschicht 701 während dieses Hartbackens auf, da die Gelenkabstandsschicht bei einer höheren Temperatur (200ºC) gehärtet wurde. Dann wird eine Aluminiumlegierung, die den Balken 200 (typischerweise 4000 Å dick) bilden soll, durch Sputtern auf der Balkenabstandsschicht 705 abgeschieden. Als nächstes wird ein Maskierungsoxid 707 durch Plasmaabscheidung gebildet und in der Form der Balken strukturiert. Der Balken wird dann einer Plasmaätzung unterzogen, um die Balken und die Balkenträgerpfosten zu bilden. Dieses schließt den Prozeß auf der Waferebene ab. Das Maskierungsoxid 707 auf dem Balken 200 wird an seiner Stelle gelassen. Die Wafer werden dann mit PMMA-Lack beschichtet, in Chipmatrizen zersägt und einer Impulsschleuderreinigung mit Chlorbenzol unterzogen. Schließlich werden die Chips in eine Plasmaätzkammer gesetzt, wo das Maskierungsoxid 707 entfernt wird und beide Abstandsschichten 701 und 705 vollständig entfernt werden, um Luftspalte unter den Gelenken und Balken zu bilden, wie es in der Fig. 7d dargestellt ist.
Obwohl diese Beschreibung die Erfindung unter Bezug auf die obigen speziellen Ausführungsformen beschreibt, begrenzen die Ansprüche und nicht diese Beschreibung den Schutzumfang der Erfindung. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsform, sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet unter Bezug auf die obige Beschreibung ersichtlich werden. Daher umfassen die beigefügten Ansprüche solche Modifikationen, die in den wahren Schutzumfang der Erfindung fallen.
Einige bevorzugte Ausführungsformen wurden oben im einzelnen beschrieben. Es ist zu erkennen, daß der Schutzumfang der Erfindung auch Ausführungsformen umfaßt, die sich von den beschriebenen unterscheiden, jedoch innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen. Allgemeine Begriffe sollten bei der Betrachtung des Schutzumfangs der Erfindung nicht eng ausgelegt werden. Eine Implementierung wird in diskreten Bauelementen oder vollständig integrierten Schaltungen in Silizium, Galliumarsenid oder anderen Familien elektronischer Materialien sowie bei optisch orientierten oder auf anderen Technologien basierenden Formen und Ausführungsformen erwogen. Es ist zu erkennen, daß verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Hardware, Software oder mikrokodierte Firmware verwenden können oder durch diese implementiert werden können.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf illustrative Ausführungsformen beschrieben wurde, soll die Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der beispielhaften Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet unter Bezug auf die Beschreibung erkennbar werden. Die beigefügten Ansprüche sollen daher beliebige solcher Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

1. Verfahren zum Adressieren einer Matrix aus Pixeln (20) in einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung, bei dem jedes der Pixel (20) einen von zwei oder mehreren ausgewählten stabilen Zuständen (200a, 200b) entsprechend einem Satz ausgewählter Adressen einnimmt und

jedes der Pixel (20) in einem der ausgewählten stabilen Zustände (200a, 200b) festgehalten wird;

an alle Pixel (20) in der Matrix ein neuer Satz ausgewählter Adressen angelegt wird;

die Pixel (20) aus ihren vorher adressierten Zuständen freigegeben werden;

es der Matrix aus Pixeln (20) ermöglicht wird, einen neuen Zustand entsprechend dem neuen Satz ausgewählter Adressen einzunehmen; und

jedes der Pixel (20) erneut festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Festhaltens und Freigebens das Anlegen eines einem Gleichspannungsvorspannungssignal überlagerten Wechselspannungssignals an die Matrix aus Pixeln (20) umfassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Freigebens das Entfernen einer Vorspannung von der Matrix umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem darüber hinaus die Adressen in Form von Spannungen geliefert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem darüber hinaus die Pixel (20) elektromechanische Pixel mit einem auslenkbaren Balken (30; 200) und Gelenkträgermitteln sind und das Festhalten, Freigeben und erneute Festhalten jeweils elektromechanisch durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem darüber hinaus der Schritt des Anlegens neuer Adressen mit dem Schritt des elektromechanischen Freigebens vertauscht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem darüber hinaus die Wechselspannungs- und Gleichspannungssignale so eingestellt werden, daß die Balken (30; 200) in periodischem Kontakt zu einem darunterliegenden Substrat stehen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem darüber hinaus das Wechselspannungssignal so gewählt wird, daß seine Frequenz der elektromechanischen Resonanzfrequenz der Balken (30; 200) entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem es darüber hinaus den Pixeln (20) ermöglicht wird, den neuen Zustand für eine Zeitdauer von ungefähr 10 bis 20 us einzunehmen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem darüber hinaus das Gleichspannungssignal in einer Stärke von ungefähr 16 Volt angelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem darüber hinaus das Gleichspannungssignal mit negativer Polarität angelegt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem darüber hinaus das Wechselspannungssignal in einer Stärke von ungefähr 5 Volt angelegt wird.