JP2011512261A - 干渉変調器の測定および特性評価の方法 - Google Patents
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Abstract
様々な方法が、干渉変調器または同様のデバイスを特性評価するために説明される。干渉変調器の両端の測定された電圧が、干渉変調器の遷移電圧を特性評価するために使用されうる。干渉変調器の動的応答の表現をもたらすために、測定された電流の積分することにより、測定された電流が、解析されうる。周波数解析が、干渉変調器のヒステリシスウィンドウ、または干渉変調器の機械的特性の表現をもたらすために使用されうる。キャパシタンスが、信号の相関を通じて決定可能であり、スペクトラム拡散解析が、ノイズまたは干渉の、様々な干渉変調器パラメータの測定値に与える影響を最小化するために使用されうる。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2008年2月11日に出願した米国仮出願第61/027781号、および2008年9月30日に出願した米国仮出願第61/101632号の優先権を主張するものであり、それらのそれぞれの開示は、その全体が本明細書に組み込まれている。
本出願は、2008年2月11日に出願した米国仮出願第61/027781号、および2008年9月30日に出願した米国仮出願第61/101632号の優先権を主張するものであり、それらのそれぞれの開示は、その全体が本明細書に組み込まれている。
微小電気機械システム(MEMS)は、微小機械要素、アクチュエータ、および電子機器を含む。微小機械要素は、基板および/または堆積された材料層の部分をエッチングで除去するか、または層を追加して電気デバイスおよび電気機械デバイスを形成する堆積、エッチング、および/または他の微細機械加工プロセスを使用して生成されうる。1つの種類のMEMSデバイスは、干渉変調器と呼ばれる。本明細書の中で使用されるように、用語、干渉変調器または干渉光変調器は、光の干渉の原理を使用して光を選択的に吸収および/または反射するデバイスを指す。ある実施形態において、干渉変調器は、一対の導電性プレートとを含むことができ、一対の導電性プレートの一方または両方が、全体的にまたは部分的に透明および/または反射性であってよく、適切な電気信号の印加に対して関連する動きをすることができる。特定の実施形態において、一方のプレートは、基板の上に堆積された固定層を備えることができ、他方のプレートは、エアギャップで固定層から分離された金属膜を備えることができる。本明細書の中でより詳細に説明されるように、一方のプレートの、もう一方との相対的な位置は、干渉変調器に入射する光の光学的干渉を変えることができる。そのようなデバイスは広範な用途を有しており、それらの特徴が既存の製品を改良し、また未だ開発されていない新しい製品を生み出すのに利用されうるように、これらの種類のデバイスの特性を利用し、および/または改変することは、当業界にとって有益であろう。
他の態様において、微小電気機械システム(MEMS)デバイスの挙動を特性評価する方法が提供され、方法は、駆動電圧信号を、可動層を含むMEMSデバイスに印加するステップと、MEMSデバイスを通る、時間の関数としての電流を測定するステップと、電流をある期間にわたって積分するステップと、MEMSデバイスの動作特性を、積分された電流に基づいて求めるステップとを含む。
他の態様において、微小電気機械システム(MEMS)デバイスの動的挙動を特性評価する方法が提供され、方法は、駆動電圧を、可動電極と固定電極とを含むMEMSデバイスに第1の期間の間印加するステップと、MEMSデバイスを通る、時間の関数としての電流を、第1の期間の少なくとも一部を含む第2の期間にわたって測定するステップと、電流の積分に基づいてMEMSデバイスの動的挙動を求めるステップとを含む。
他の態様において、微小電気機械システム(MEMS)デバイスの、可動層に及ぼされた制動力を求める方法が提供され、方法は、可動層を動かす駆動電圧を、可動層を含むMEMSデバイスに印加するステップと、MEMSデバイスを通る、時間の関数としての電流を測定するステップと、電流をある期間にわたって積分するステップと、可動層に及ぼされた制動力を、積分された電流に基づいて求めるステップとを含む。
他の態様において、可動層を含む微小電気機械システム(MEMS)デバイスと、駆動電圧信号をMEMSデバイスに印加して可動層の動きを誘発し、MEMSデバイスを通る、時間の関数としての電流を測定し、電流をある時間にわたって積分し、MEMSデバイスの挙動特性を、積分された電流に基づいて求めるように構成された回路とを含むデバイスが提供される。
他の態様において、MEMSデバイスの可動層の動きを誘発するための手段と、MEMSデバイスを通る電流を測定するための手段と、電流をある期間にわたって積分するための手段と、MEMSデバイスの挙動を、積分された電流に基づいて特性評価するための手段とを含むデバイスを提供する。
以下の詳細な説明は、ある特定の実施形態に関する。しかし、本明細書における教示は、多くの異なる方法において適用されうる。この説明において、全体を通して同じ部品が同じ数字で表される図面が参照される。実施形態は、動的(例えば、ビデオ)であれ静的(例えば、静止画像)であれ、ならびに文書であれ画像であれ、画像を表示するように構成された任意のデバイスにおいて実施されうる。より詳細には、実施形態は、携帯電話、無線デバイス、携帯情報端末(PDA)、ハンドヘルドまたは携帯コンピュータ、GPS受信器/ナビゲータ、カメラ、MP3プレーヤ、カムコーダ、ゲーム機、腕時計、時計、電卓、テレビモニタ、フラットパネルディスプレイ、コンピュータモニタ、自動車用ディスプレイ(例えば、オドメータディスプレイなど)、コックピットの制御機器および/またはディスプレイ、カメラ視野のディスプレイ(例えば、車両内の後方視野カメラのディスプレイ)、電子写真、電子広告板または看板、プロジェクタ、建築物、パッケージング、ならびに美的構造(例えば、1個の宝石の上への画像のディスプレイ)などであるがそれらに限定されない、多様な電子デバイスの中で、またはそれらに付随して、実施されうることが企図されている。また、本明細書で説明されるものと同様の構造のMEMSデバイスが、電子スイッチングデバイスなど、非表示用途において使用されうる。
干渉変調器および同様のMEMSデバイスの特性を正確に特性評価することが、そのようなデバイス、ならびに将来のデバイスの設計の品質管理および適正な動作を促進する。特に、デバイスの電気的特性評価が、光学的測定装置を必要とせずにそのようなデバイスの測定を可能にし、試験装置の複雑さを削減することができる。ある実施形態において、そのようなデバイスの特性評価が、特定の試験回路を使用して行われうるが、他の実施形態においては、特性評価を実施するために使用される回路は、デバイスの駆動回路の中に一体化されうる。そのようにして、特性評価は、所定の駆動スキームをオンザフライで修正し、調節するために、駆動回路によって使用されうる。
ある実施形態において、干渉変調器の両端の電圧測定は、遷移電圧を同定することにより干渉変調器を特性評価するために、干渉変調器が駆動されている間に測定されうる。他の実施形態において、干渉変調器を通る電流が、干渉変調器の動的挙動の表現をもたらすために、動作中に測定されうる。特別な実施形態において、このことは、測定された電流を積分することにより、または測定された電流に対して周波数解析を実施することにより行われうる。そのような周波数解析は、干渉変調器の静的または動的な機械的特性を特性評価するために、あるいは干渉変調器のヒステリシス挙動に関する情報をもたらすために使用されうる。他の実施形態において、干渉変調器のキャパシタンスが、駆動信号を関連する信号と相関させることにより解析されうる。他の実施形態において、スペクトラム拡散解析が、特性評価プロセスにおけるノイズまたは干渉の影響を最小にするために使用されうる。
干渉計MEMSディスプレイ要素を備える干渉変調器ディスプレイの一実施形態が、図1に示される。これらのデバイスにおいて、画素は、明状態か暗状態のいずれかにある。明(「弛緩」または「開」)状態において、ディスプレイ要素は、大部分の入射可視光をユーザに向けて反射する。暗(「被駆動」または「閉」)状態において、ディスプレイ要素は、入射可視光をユーザに向けて、ほとんど反射しない。実施形態によっては、「オン」および「オフ」状態の光の反射特性が、反対となりうる。MEMS画素は、選択された色において卓越的に反射し、黒白に加えてカラーディスプレイを可能にするように構成されうる。
図1は、画像表示の一連の画素の中の、隣り合う2つの画素を示す等角図であり、各画素はMEMS干渉変調器を備える。いくつかの実施形態において、干渉変調器ディスプレイは、これらの干渉変調器の行/列配列を含む。各干渉変調器は、少なくとも1つの可変寸法を有する共鳴光学ギャップを形成するために、可変で制御可能な相互間距離に配置された一対の反射層を含む。一実施形態において、反射層のうちの一方は、2位置の間を動かされうる。本明細書において弛緩位置と呼ばれる第1の位置において、可動反射層は、固定された部分反射層から比較的大きな距離をおいて配置される。本明細書において被駆動位置と呼ばれる第2の位置において、可動反射層は、部分反射層に、より密接に隣接して配置される。2つの層から反射する入射光は、可動反射層の位置により、強め合うように、または弱め合うように干渉し、各画素の全反射または無反射のいずれかの状態を生み出す。
図1における画素配列の図示された部分は、2つの隣接する干渉変調器12aおよび12bを含む。左の干渉変調器12aにおいて、可動反射層14aが、部分反射層を含む光スタック16aから所定の距離にある弛緩位置において図示される。右の干渉変調器12bにおいて、可動反射層14bが、光スタック16bに隣接する被駆動位置において図示される。
光スタック16aおよび16b(集合的に、光スタック16と呼ばれる)は、本明細書において参照されるように、典型的には、インジウムスズ酸化物(ITO)などの電極層を含むことができるいくつかの融合層と、クロミウムなどの部分反射層と、透明な誘電体とを含む。したがって、光スタック16は、導電性で、半透明で、部分反射であり、例えば、上の層のうちの1つまたは複数を透明基板20の上に堆積させることにより作製されうる。部分反射層は、様々な金属、半導体、および誘電体など、部分反射である多様な材料から形成されうる。部分反射層は、1つまたは複数の材料の層から形成されてよく、層のうちのそれぞれは、単一の材料または材料の組合せから形成されてよい。
いくつかの実施形態において、光スタック16の層が、平行なストリップにパターン化され、以下にさらに説明されるように、ディスプレイデバイスの中で行電極を形成することができる。可動反射層14a、14bは、柱18、および柱18の間に堆積された介在犠牲材料の頂部に堆積される列を形成するために、(16a、16bの行電極に直交する)堆積された金属の1層または複数層の、一連の平行なストリップとして形成されうる。犠牲材料がエッチングで除去されると、可動反射層14a、14bが、光スタック16a、16bから、画定された隙間19だけ離隔される。アルミニウムのような、高度に導電性で反射性の材料が、反射層14のために使用されてよく、これらのストリップは、ディスプレイデバイスの中で列電極を形成することができる。図1は、縮尺どおりでないことに留意されたい。いくつかの実施形態において、柱18の間の間隔はおよそ10〜100μmであってよく、一方、隙間19はおよそ<1000オングストロームであってよい。
電圧が印加されない状態で、図1における画素12aで示されるように、隙間19は、可動反射層14aと光スタック16aとの間に留まり、可動反射層14aは機械的に弛緩状態にある。しかし、電位(電圧)差が選択された行および列に印加されると、対応する画素における行電極と列電極の交点に形成されたキャパシタが充電され、静電力が、電極を共に引っ張る。電圧が十分に高い場合は、可動反射層14が変形され、光スタック16に押しつけられる。図1の右の被駆動画素12bで示されるように、光スタック16内の誘電体層(この図に示されず)は、層14と層16との間の短絡を防ぎ、分離距離を制御することができる。挙動は、印加された電位差の極性にかかわらず、同じである。
図2〜図5は、ディスプレイ用途における干渉変調器の配列の使用に対する、プロセスおよびシステムの一例を示す。
図2は、干渉変調器を組み込むことができる電子デバイスの一実施形態を示すシステムブロック図である。電子デバイスは、ARM(登録商標)、Pentium(登録商標)、8051、MIPS(登録商標)、Power PC(登録商標)、またはALPHA(登録商標)など、任意の汎用のシングルチップまたはマルチチップのマイクロプロセッサ、あるいはディジタルシグナルプロセッサ、マイクロコントローラ、またはプログラマブルゲートアレイなど、任意の専用のマイクロプロセッサであってよい、プロセッサ21を含む。当業界において一般的に、プロセッサ21は、1つまたは複数のソフトウェアモジュールを実行するように構成されうる。オペレーティングシステムを実行することに加えて、プロセッサは、ウェブブラウザ、電話用途、Eメールプログラム、または任意の他のソフトウェアアプリケーションを含む1つまたは複数のソフトウェアアプリケーションを実行するように構成されうる。
一実施形態において、プロセッサ21はまた、配列ドライバ22と通じるように構成されうる。一実施形態において、配列ドライバ22は、信号をディスプレイ配列すなわちパネル30に供給する、行ドライバ回路24および列ドライバ回路26を含む。図1に示される配列の交叉部が、図2の線1−1で示される。図2は簡潔のために、3×3配列の干渉変調器を示すが、ディスプレイ配列30が、多数の干渉変調器を含むことができること、および行において、列と異なる数(例えば、行当たり300画素×列当たり190画素)の干渉変調器を有することができることに留意されたい。
図3は、図1の干渉変調器の例示的一実施形態に対する、可動ミラー位置対印加電圧の図表である。MEMS干渉変調器に対して、行/列駆動プロトコルは、図3に示されるような、これらのデバイスのヒステリシス特性を利用することができる。干渉変調器は、可動層を弛緩状態から被駆動状態に変形させるために、例えば10ボルトの電位差を必要とする。しかし、電圧がその値から減じられるとき、電圧が10ボルトより下に下降して戻るのに、可動層はその状態を維持する。図3の例示的実施形態において、可動層は、電圧が2ボルト未満に下降するまでは、完全には弛緩しない。したがって、図3に示される例において、約3〜7Vの電圧範囲が存在し、デバイスが、弛緩状態または被駆動状態のいずれかで安定する印加電圧のウィンドウが存在する。これは、本明細書において「ヒステリシスウィンドウ」または「安定性ウィンドウ」と呼ばれる。図3のヒステリシス特性を有するディスプレイ配列に対して、行/列駆動プロトコルが行をストローブする間、駆動されるべき、ストローブされた行の画素が、約10ボルトの電圧差を受け、弛緩されるべき画素が、ゼロボルトに近い電圧差を受ける。ストローブの後、画素が、行ストローブが画素にならしめる何らかの状態に留まるように、画素は、定常状態すなわち約5ボルトのバイアス電圧差を受ける。書き込まれた後、各画素は、電位差を、この例では3〜7ボルトの「安定性ウィンドウ」の中に見る。この特徴は、被駆動状態、または事前の弛緩状態のいずれかにおいて、同じ印加電圧条件の下で、図1に示される画素設計を安定にする。干渉変調器の各画素は、被駆動状態であれ、弛緩状態であれ、本質的には、固定および可動の反射層で形成されたキャパシタであるので、この安定状態は、ヒステリシスウィンドウの中の電圧で、電力をほとんど消費することなく保たれうる。印加される電位が固定されるならば、本質的に、電流は画素に流れ込まない。
以下にさらに説明されるように、典型的な用途において、第1の行の中の被駆動画素の所望のセットに従って、列電極のセットにわたって、データ信号(それぞれがある電圧レベルを有する)のセットを送ることにより、画像のフレームが生み出される。次いで、行パルスが第1の行電極に印加され、データ信号のセットに対応する画素を駆動する。次いで、データ信号のセットが、第2の行の中の被駆動画素の所望のセットに対応するように変えられる。次いで、パルスが第2の行電極に印加され、データ信号に従って、第2の行の中の適切な画素を駆動する。第1の画素の行は、第2の行パルスの影響を受けず、第1の行パルスの間にそれらの画素が設定された状態に留まる。このことが、フレームを作成するために、すべての連続する行に対して連続的に繰り返されうる。一般に、フレームは、このプロセスを毎秒所望のフレーム数で絶え間なく繰り返すことにより、新しい画像データでリフレッシュおよび/またはアップデートされる。画像フレームを作成するために、画素配列の行および列の電極を駆動するための広範なプロトコルが使用されうる。
図4および図5は、図2の3×3配列のディスプレイフレームを生成する、1つの可能な駆動プロトコルを示す。図4は、図3のヒステリシス曲線を提示する画素のために使用されうる、列および行の電圧レベルの可能なセットを示す。図4の実施形態において、画素を駆動することは、適切な列を−Vbiasに、適切な行を+ΔVに設定することを伴い、それらは、それぞれ、−5ボルトおよび+5ボルトに対応してよい。画素を弛緩させることは、適切な列を+Vbiasに、適切な行を同じ+ΔVに設定し、画素の両端にゼロボルトの電位差を生み出すことにより、達成される。行電圧がゼロボルトに保持される、それらの行において、画素は、列が+Vbiasであるか−Vbiasであるかにかかわらず、それらが元々あった状態が何であれ、安定である。やはり図4に示すように、上述のものとは反対の極性の電圧が使用されてよく、例えば、画素を駆動することは、適切な列を+Vbiasに、適切な行を−ΔVに設定することを伴うことができる。この実施形態において、画素を弛緩させることは、適切な列を−Vbiasに、適切な行を−ΔVに設定し、画素の両端にゼロボルトの電位差を生み出すことにより達成される。
図5Bは、図2の3×3配列に印加される一連の行および列の信号を示すタイミング図であり、それは、被駆動画素が無反射である、図5Aに示されるディスプレイ配置を結果としてもたらす。図5Aに示されるフレームを書き込む前に、画素は任意の状態にあってよく、この例では、すべての行が最初に0ボルトであり、すべての列が+5ボルトである。これらの印加電圧により、すべての画素が、それらが存在する被駆動状態、または弛緩状態において安定である。
図5Aのフレームにおいて、画素(1、1)、(1、2)、(2、2)、(3、2)および(3、3)が駆動される。これを達成するために、行1に対する「線時間」の間、列1および列2が−5ボルトに設定され、列3が+5ボルトに設定される。これは、全画素が3〜7ボルトの安定性ウィンドウの中に留まるため、いかなる画素の状態をも変えない。次いで、行1が、0から5ボルトまで行き、そしてゼロに戻るパルスで、ストローブされる。これが、(1、1)および(1、2)の画素を駆動し、(1、3)の画素を弛緩させる。配列の中の他の画素は、どれも影響されない。行2を所望に設定するために、列2が−5ボルトに設定され、列1および列3が+5ボルトに設定される。次いで、行2に印加された同じストローブが、画素(2、2)を駆動し、画素(2、1)および(2、3)を弛緩させる。再び、配列の他の画素は、どれも影響されない。行3は、列2および列3を−5ボルトに、列1を+5ボルトに設定することにより、同様に設定される。行3のストローブが、図5Aに示されるように、行3の画素を設定する。フレームを書き込んだ後、行電位がゼロであり、列電位が+5ボルトか−5ボルトのいずれかに留まってよく、表示は、したがって、図5Aの配置で安定である。同じ手続きが、数十または数百の行と列の配列に対して使用されうる。行および列の駆動を実施するために使用される電圧のタイミング、シーケンス、およびレベルは、上述の一般的な原理の範囲内で幅広く変化されてよく、上の例は、例としてのみであり、任意の駆動電圧の方法が、本明細書で説明されるシステムおよび方法とともに使用されうる。
図6Aおよび図6Bは、ディスプレイデバイス40の一実施形態を示すシステムのブロック図である。ディスプレイデバイス40は、例えば、セル方式または移動式の電話であってよい。しかし、ディスプレイデバイス40と同じコンポーネント、またはそれがわずかに変化したものが、やはり、テレビおよび携帯型メディアプレーヤなど、様々な種類のディスプレイデバイスの実例となる。
ディスプレイデバイス40は、ハウジング41、ディスプレイ30、アンテナ43、スピーカ45、入力デバイス48、およびマイクロフォン46を含む。ハウジング41は、一般に、射出成形、および真空成形を含む、多様な製造プロセスのうちのいずれかで形成される。さらに、ハウジング41は、プラスティック、金属、ガラス、ゴム、およびセラミック、またはそれらの組合せを含むが、それらに限定されない、多様な材料のうちのいずれかで作製されうる。一実施形態においてハウジング41は、異なる色の、あるいは異なるロゴ、絵、またはシンボルを含む、他の取り外し可能な部分と交換されうる、取り替え可能な部分(図示せず)を含む。
例示的ディスプレイデバイス40のディスプレイ30は、本明細書で説明されるように、双安定ディスプレイを含む多様なディスプレイのうちのいずれかであってよい。他の実施形態において、ディスプレイ30は、上述のように、プラズマ、EL、OLED、STN LCD、またはTFT LCDなど、フラットパネルディスプレイ、あるいはCRTまたは他のチューブデバイスなど、非フラットパネルを含む。しかし、本実施形態を説明する目的のために、ディスプレイ30は、本明細書で説明されるような、干渉変調器ディスプレイを含む。
例示的ディスプレイデバイス40の一実施形態のコンポーネントが、図6Bに、概略的に示される。示された例示的ディスプレイデバイス40は、ハウジング41を含み、本明細書に少なくとも部分的には包含される追加のコンポーネントを含むことができる。例えば、一実施形態において、例示的ディスプレイデバイス40は、トランシーバ47と結合されるアンテナ43を含むネットワークインターフェース27を含む。トランシーバ47は、調整ハードウェア52に接続されるプロセッサ21に接続される。調整ハードウェア52は、信号を調整する(例えば、信号にフィルタをかける)ように構成されうる。調整ハードウェア52は、スピーカ45およびマイクロフォン46に接続される。プロセッサ21はまた、入力デバイス48およびドライバコントローラ29に接続される。ドライバコントローラ29は、フレームバッファ28および配列ドライバ22と結合され、そのことで、結果として、ディスプレイ配列30と結合される。電源50は、特別な例示的ディスプレイデバイス40の設計により、要求に応じてすべてのコンポーネントに電力を供給する。
ネットワークインターフェース27は、例示的ディスプレイデバイス40が、ネットワーク上で1つまたは複数のデバイスと通じることができるように、アンテナ43およびトランシーバ47を含む。一実施形態において、ネットワークインターフェース27はまた、プロセッサ21への要求を緩和するために、何らかの処理能力を有することができる。アンテナ43は、信号を送受信するための任意のアンテナである。一実施形態において、アンテナは、IEEE802.11(a)、(b)、または(g)を含む、IEEE802.11規格によるRF信号を、送信および受信する。他の実施形態において、アンテナは、BLUETOOTH規格によるRF信号を、送信および受信する。セル式電話の場合、アンテナは、CDMA、GSM、AMPS、W−CDMA、または、無線セルフォンネットワークの中で通信するために使用される、他の知られている信号を受信するように設計される。トランシーバ47は、アンテナ43から受信した信号を前処理し、それにより、その信号はプロセッサ21で受信され、さらに処理されうる。トランシーバ47はまた、プロセッサ21から受信された信号を処理し、それにより、その信号は、アンテナ43を介して例示的ディスプレイデバイス40から送信されうる。
代替の一実施形態において、トランシーバ47が、受信器で置き換えられうる。さらなる他の代替の一実施形態において、ネットワークインターフェース27が、プロセッサ21へ送られるべき画像データを格納または生成可能な、画像ソースで置き換えられうる。例えば、画像ソースは、画像データを含むディジタルビデオディスク(DVD)またはハードディスクドライブ、あるいは画像データを生成するソフトウェアモジュールであってよい。
プロセッサ21は、一般に、例示的ディスプレイデバイス40の全体的動作を制御する。プロセッサ21は、ネットワークインターフェース27または画像ソースからの圧縮された画像データなどのデータを受け、そのデータを処理して、生の画像データ、または生の画像データに容易に処理されるフォーマットにする。次いで、プロセッサ21は、処理されたデータをドライバコントローラ29または格納のためのフレームバッファ28に送る。生のデータは、典型的には、画像の中の各位置における画像特性を同定する情報を意味する。例えば、そのような画像特性は、色彩、彩度、およびグレースケールレベルを含むことができる。
一実施形態において、プロセッサ21は、例示的ディスプレイデバイス40の動作を制御するために、マイクロコントローラ、CPU、または論理ユニットを含む。調整ハードウェア52は、一般に、スピーカ45に信号を送るため、およびマイクロフォン46から信号を受けるために、増幅器およびフィルタを含む。調整ハードウェア52は、例示的ディスプレイデバイス40の中の別々のコンポーネントであってよく、またはプロセッサ21または他のコンポーネントの中に組み込まれてよい。
ドライバコントローラ29は、プロセッサ21で生成された生の画像データを、直接プロセッサ21から、またはフレームバッファ28からのいずれかから取り出し、その生の画像データを、配列ドライバ22への高速送信に適するように再フォーマットする。具体的には、ドライバコントローラ29は、生の画像データを、ラスタ状のフォーマットを有するデータフローに再フォーマットし、それにより、そのデータフローは、ディスプレイ配列30にわたって走査するのに適する時間順序を有する。次いで、ドライバコントローラ29は、フォーマットされた情報を配列ドライバ22に送る。LCDコントローラなどのドライバコントローラ29は、多くの場合、スタンドアローンの集積回路(IC)としてシステムプロセッサ21に付随するが、そのようなコントローラは、多くの方法で実施されうる。ドライバコントローラ29は、ハードウェアとしてプロセッサ21に埋め込まれうるか、ソフトウェアとしてプロセッサ21に埋め込まれうるか、または配列ドライバ22と共にハードウェアの中に完全に一体化されうる。
通常、配列ドライバ22は、ドライバコントローラ29からフォーマットされた情報を受け、ビデオデータを、ディスプレイの画素のx−yマトリックスから来る数百ときには数千のリード線に毎秒多数回加えられる、平行な波形のセットに再フォーマットする。
一実施形態において、ドライバコントローラ29、配列ドライバ22、およびディスプレイ配列30が、本明細書で説明されるディスプレイの任意の種類に対して適切である。例えば、一実施形態において、ドライバコントローラ29は、従来のディスプレイコントローラまたは双安定ディスプレイコントローラ(例えば、干渉変調器コントローラ)である。他の実施形態において、配列ドライバ22は、従来のドライバまたは双安定ディスプレイドライバ(例えば、干渉変調器ディスプレイ)である。一実施形態において、ドライバコントローラ29は、配列ドライバ22と一体化される。そのような一実施形態は、セル式電話、時計、および他の小面積ディスプレイなど、高度に集積化されたシステムにおいて一般的である。さらなる他の実施形態において、ディスプレイ配列30は、通常のディスプレイ配列または双安定ディスプレイ配列(例えば、干渉変調器の配列を含むディスプレイ)である。
入力デバイス48は、ユーザが、例示的ディスプレイデバイス40の動作を制御することを可能にする。一実施形態において、入力デバイス48は、QWERTYキーボードまたは電話キーパッドなどのキーパッドと、ボタンと、スイッチと、タッチスクリーンと、圧力感知膜または熱感知膜とを含む。一実施形態において、マイクロフォン46は、例示的ディスプレイデバイス40のための入力デバイスである。マイクロフォン46がデバイスにデータを入力するために使用されるとき、ボイスコマンドが、ユーザにより、例示的ディスプレイデバイス40の動作を制御するために供給されうる。
電源50は、当業界でよく知られているような多様なエネルギー貯蔵デバイスを含むことができる。例えば、一実施形態において、電源50は、ニッケル−カドミウム電池またはリチウムイオン電池など、再充電可能電池である。他の実施形態において、電源50は、プラスティック太陽電池および太陽電池塗料を含む、再生可能なエネルギーソース、キャパシタ、または太陽電池である。他の実施形態において、電源50は、壁のコンセントから電力を受けるように構成される。
いくつかの実施形態において、制御のプログラム可能性は、上述のように、電子ディスプレイシステムの中のいくつかの場所に配置されうる、ドライバコントローラの中に存在する。いくつかの場合、制御のプログラム可能性は、配列ドライバ22の中に存在する。上述の最適化は、任意の数のハードウェアおよび/またはソフトウェアコンポーネント、ならびに様々な構成において実施されうる。
上で説明した原理により動作する干渉変調器の構造の詳細は、幅広く変化することができる。例えば、図7A〜図7Eは、可動反射層14およびその支持構造の、5つの異なる実施形態を示す。図7Aは、図1の実施形態の断面図であり、金属材料14のストリップが、直交して延びる支持体18の上に堆積される。図7Bにおいて、各干渉変調器の可動反射層14は、正方形または長方形の形状であり、コーナーだけにおいてテザー32で支持体に取り付けられている。図7Cにおいて、可動反射層14は、正方形または長方形の形状であり、弾力性のある金属を含んでよい変形可能層34からつり下げられている。変形可能層34は、変形可能層34の周囲のまわりで、基板20と直接または間接的に接触する。これらの接続部は、本明細書において、支柱と呼ばれる。図7Dに示される実施形態は、変形可能層34が載る支柱プラグ42を有する。可動反射層14は、図7A〜図7Cにおけるように、隙間の上につり下げられたままであるが、変形可能層34は、変形可能層34と光スタック16との間の穴を埋めることにより、支柱を形成しない。むしろ、支柱は、支柱プラグ42を形成するために使用される、平坦化材料から形成される。図7Eに示される実施形態は、図7Dに示される実施形態に基づくが、また、図7A〜図7Cに示される実施形態のうちの任意の実施形態、ならびに示されない追加の実施形態とともに機能するようになされうる。図7Eに示される実施形態において、金属または他の導電性材料の追加の層が、バス構造44を形成するために使用されてきた。これは、信号が干渉変調器の背部に沿って通ることを可能にし、そうでなければ基板20の上に形成されなければならなかった多くの電極を省略する。
図7に示されるような実施形態において、干渉変調器は、変換器が整列される面と反対の面である、透明な基板20の前面から画像が見られる、直視型デバイスとして機能する。これらの実施形態において、反射層14は、変形可能層34を含めて、基板20の反対の反射層の面上の、干渉変調器の部分を光学的にシールドする。このことが、画像品質に悪い影響を与えることなく、シールドされた領域が構成され、動作されることを可能にする。例えば、そのようにシールドすることが、変換器の光学的特性を、アドレス指定およびそのアドレス指定に起因する動きなど、変換器の電子機械的特性から分離する能力を提供する、図7Eのバス構造を可能にする。この分離可能な変換器構成が、変換器の電子機械的態様および光学的態様に対して使用される構造設計および材料が、互いに独立して選択され、機能することを可能にする。さらに、図7C〜図7Eに示される実施形態は、反射層14の光学的特性を、変形可能層34で実施される、その機械的特性から切り離すことから得られる、付加的な便益を有する。このことが、反射層14のために使用される構造設計および材料が、光学的特性に関して最適化されること、ならびに、変形可能層34のために使用される構造設計および材料が、所望の機械的特性に関して最適化されることを可能にする。
干渉変調器技術に基づくようなディスプレイデバイスが、1つまたは複数の光学的、電子的、および/または機械的技術により測定され、特性評価されうる。ディスプレイ技術により、これらの測定が、ディスプレイモジュール(本明細書で言及されるディスプレイ「モジュール」は、ディスプレイパネル、ディスプレイドライバ、および配線などの関連部品などを含む)の較正の一部を形成することができ、測定パラメータは、将来の使用のために、ディスプレイモジュールの中の不揮発性メモリ(例えば、NVRAM)の中に格納されうる。
図3を参照して上で論じたように、干渉変調器は、それらに印加される電位差に基づいて動作する。図3は、干渉変調器が、それらの電極の間に印加された電位差の大きさに従って、弛緩 (または解除された)状態か、被駆動状態かのいずれかにあることを示す。図示のように、一方の状態を他方の状態に変えることは、安定性(または保留)ウィンドウのヒステリシス特性により発生し、そのウィンドウにおいて、デバイスは、印加された電位差が保留ウィンドウの中に入るときに、その電流状態を保留する。本明細書で使用されるように、「バイアス電圧」は、保留ウィンドウの中に入る電位差を指す。したがって、図3に示されるように、いくつかの実施形態において、5つの入力電圧差の範囲が存在する。
5つの電圧差の範囲のそれぞれは、干渉変調器の状態へのその影響を反映するタイトルを有する。図3の左からスタートして、5つの電圧差の範囲は、1)負の駆動(「駆動された」)、2)負の保留(「安定性ウィンドウ」)、3)解除(「弛緩された」)、4)正の保留(「安定性ウィンドウ」)、および5)正の駆動(「駆動された」)である。デバイスの理論的理解および過去の実験結果に基づいて、これらの入力電圧差の範囲の間の閾値のおよその値が知られうるが、干渉変調器配列をより最適に動作させるために、閾値電圧が、より正確に測定されうる。
例えば、本明細書でさらに説明されるように、閾値は、デバイスごとに、ロットごとに、温度により、および/またはデバイスの使用年数につれて、変化する。したがって、閾値の値は、製造されたデバイスそれぞれ、またはデバイスの群に対して測定されてよいが、全運転エンベロープにわたってそのように実行することは、困難または実行不可能であり、干渉変調器の動作性能のリアルタイムの表現を提供することはできない。閾値電圧を測定する1つの方法は、干渉変調器の光学的特性の観察を通じて、干渉変調器の状態をモニタしながら、様々な電圧差の入力を印加することである。このことは、例えば、人による観察を通じて、または光測定デバイスの使用により、達成されうる。さらに、または代替として、干渉変調器の状態は、電子的応答測定を通じてモニタされうる。いくつかの実施形態において、上述のディスプレイ配列30の配列ドライバ22は、以下に論じる方法に従って、ディスプレイ要素の状態および/または動作特性を求めるために、ディスプレイ要素の電気的応答を測定するように構成されうる。
多くの場合、ディスプレイデバイスの挙動が、ディスプレイデバイスの使用年数とともに、ディスプレイの温度変動とともに、表示される画像の内容とともに、などで変化する。ディスプレイデバイスは、光応答または光学的状態に関して変化する、1つまたは複数の電気パラメータを有することができる。上述のように、干渉変調器は、反射層と光スタックとの間の静電気引力が、弛緩状態にある反射層を保持するように働く機械的復元力を乗り越えるのに十分に大きいときに、被駆動状態に設定される。反射層、光スタック、およびそれらの間の隙間は、いくつかの実施形態において、誘電体で分離された2枚の導電性プレートを形成するので、その構造は、キャパシタンスを有する。また、その構造のキャパシタンスは、2枚のプレートの間の距離により変化するので、その構造のキャパシタンスは、干渉変調器の状態により変化する。それゆえ、キャパシタンスの表現は、干渉変調器の状態を求めるために使用されうる。
以下により詳細に説明されるように、様々な方法が、干渉変調器の様々な特性を求めることにより、干渉変調器または同様のMEMSデバイスを特性評価するために使用されうる。ある実施形態において、様々な入力に対する干渉変調器の応答が、例えば、上述の種類の閾値電圧、または干渉変調器のキャパシタンスを求めるために使用されうる。他の実施形態において、干渉変調器の動的応答が、可動電極に作用する機械的復元力など、干渉変調器の機械的特性を求めることにより、特性評価されうる。
ある実施形態において、そのような特性評価は、品質管理手段として、または測定プロセスの改良の一部として、干渉変調器を製作した後に実施されうる。他の実施形態において、特性評価は、ある特性が、時間とともに、または動作条件の変化に応答して変化したかどうかを決定するために、干渉変調器の正常動作の間に実施されうる。
電圧測定
ある実施形態において、MEMSデバイスの両端の電圧が、デバイスが駆動されている間に測定されてよく、いくつかの他のパラメータの関数として記録された電圧のデータが、遷移電圧に対応する電圧値を求めるために解析されてよい。このことが、駆動が発生した時点を求めるために、光学測定機器を使用することなく、干渉変調器および他のMEMSデバイスの特性の、迅速で正確な特性評価を促進することができる。ある実施形態において、電流またはインピーダンスの一方が、データ解析および遷移電圧の決定を容易にするために、試験手順の間、実質的に一定に保持されてよい。
ある実施形態において、MEMSデバイスの両端の電圧が、デバイスが駆動されている間に測定されてよく、いくつかの他のパラメータの関数として記録された電圧のデータが、遷移電圧に対応する電圧値を求めるために解析されてよい。このことが、駆動が発生した時点を求めるために、光学測定機器を使用することなく、干渉変調器および他のMEMSデバイスの特性の、迅速で正確な特性評価を促進することができる。ある実施形態において、電流またはインピーダンスの一方が、データ解析および遷移電圧の決定を容易にするために、試験手順の間、実質的に一定に保持されてよい。
一実施形態において、実質的に一定の電流が、干渉変調器に印加されてよく、干渉変調器の両端の電圧が、遷移電圧に対応する不連続を同定するために、解析されてよい。特定の実施形態において、干渉変調器が、例えば、図1の変調器12aの状態に示すように、アップ状態、弛緩状態、または非駆動状態において始まる。一定電流が、干渉変調器の両端に印加され、静電荷が電極上に蓄積するにつれて、干渉変調器の両端の電圧が徐々に増加する。干渉変調器の両端の電圧が遷移電圧まで増加するのに十分な電荷が、電極上に蓄積されると、干渉変調器は、例えば、図1の変調器12bに示されるように、ダウン状態または被駆動状態に崩落する。ある実施形態において、この実質的に一定の電流は、±20%の範囲内の変動を含んでよいが、ある実施形態においては、より大きな電流変動が容認されてよく、また、より小さい電流変動が、そのようなプロセスの試験中に行われる測定または計算の精度を高めることができる。
図8Aは、このプロセスの間の電圧Vを、時間tの関数として示す。この電圧測定は、例えば、電圧値を時間の関数として記録可能なディジタルオシロスコープなど、オシロスコープで実施されうる。Vのプロット100は、3つの異なる領域、すなわち、Vが駆動電圧Vaより小さい、遷移前領域102と、Δtの持続時間を有する遷移領域104と、電圧Vが駆動電圧Vaより大きい遷移後領域106とを含むことが分かる。干渉変調器の駆動に先だって、電極上の電荷の蓄積が、可動電極を他方の電極に向かって動かす。遷移後領域106の中で、干渉変調器は、実質的に固定プレートのキャパシタとして挙動する。というのは、干渉変調器が、プレートの間に誘電層を有する平行プレートキャパシタとして作用するからである。
したがって、遷移前領域102において電圧対時間のプロットがわずかに曲がっているので、干渉変調器のキャパシタンスは、遷移前領域102において、電圧により変動する。具体的には、遷移前領域(V<Va)における変調器のキャパシタンスCは、下式
C=C0+C1V+C2V2+C3V3... (1)
で与えられ、ここで、C0は、プレート間に空隙および誘電体層を有する、変位のない(弛緩)状態における、平行プレートキャパシタのゼロ電圧のキャパシタンスに相当する。
C=C0+C1V+C2V2+C3V3... (1)
で与えられ、ここで、C0は、プレート間に空隙および誘電体層を有する、変位のない(弛緩)状態における、平行プレートキャパシタのゼロ電圧のキャパシタンスに相当する。
遷移前領域102におけるキャパシタンスが、Vとともに、ゆっくり変化すると仮定すると、キャパシタンスの変化は、
ΔC=C0+C1ΔV (2)
として概算されうる。
ΔC=C0+C1ΔV (2)
として概算されうる。
そのような構造において、C1は、印加された電圧が遷移電圧から遠い(例えば、駆動電圧よりずっと下、または解除電圧よりずっと上の)領域における、キャパシタンス変化の偏差定数に相当する。C1は、通常、非常に小さい。C1/C0<<1で、ソース電流がI0で与えられるとき、より完全な展開が、
ΔV≒(I0/C0)t−(C1/C0)(I0/C0)2t2 (3)
で与えられる。
ΔV≒(I0/C0)t−(C1/C0)(I0/C0)2t2 (3)
で与えられる。
遷移領域104の中の挙動は、変調器の特性およびソース電流I0の値により変化する。図8Bは、1μA〜0.1mAの間にわたる複数の異なるソース電流I0に対する複数の被刺激電圧の測定値を、時間を関数として示す。図8Cは、1μA〜0.1mAの間の特別なソース電流108bに対する被刺激電圧を示す。
図8Cを考慮すると、電圧が初期に、領域107において増加するにつれて、電圧の勾配が、干渉変調器の解除状態のキャパシタンスを表現することが分かる。次いで、干渉変調器が駆動し始めたときに、遷移領域104bが、最初のピークとともに始まる。干渉変調器が駆動するにつれて、遷移領域104bの中の測定された電圧が、減少する。干渉変調器の駆動の後、次いで、干渉変調器は、再び、ダウン状態におけるリニアキャパシタとして機能し、電圧は、ダウン状態における干渉変調器のキャパシタンスを表現する勾配を有する領域109において増加する。
図8Bを考慮すると、遷移期間の始まりに対応する初期ピークの高さは、電流が増加するにつれて高くなることが分かる。というのは、電荷が、干渉変調器の駆動に比べて速やかに干渉変調器上に蓄積するからである。最も高い、図示されたソース電流において、シミュレーションされた電圧測定値108aのピーク電圧は、干渉変調器の駆動電圧Vaよりほぼ3ボルト高く、変調器は、測定された電圧が干渉変調器の駆動電圧より低い電圧に戻りうる前に、駆動する。印加される電流が減少するにつれて、駆動の速度に対する電荷蓄積の速度が、シミュレーションされた電圧測定値108cの初期ピークが駆動電圧Vaに接近する点まで低下する。
ソース電流I0は、干渉変調器の特性、ならびに試験目的に対する所望の応答に基づいて選択されうる。例えば、1pFの負荷キャパシタンスを有する理想的な干渉変調器に対して、誘導性および抵抗性の影響を無視して、1μAの一定ソース電流は、デバイスを10msのうちに10Vレンジまでチャージし、10μAは、デバイスを1msのうちに10Vレンジまでチャージする。したがって、遷移電圧が同定されることが予期される予期電圧範囲、および所望の期間に対して、適切なソース電流値が選択されうる。図8Bに関して説明されるように、ソース電流がまた、遷移電圧の始まりにおける第1のピークが干渉変調器の駆動電圧に対応するように、選択されうる。
さらに、遷移期間中に測定された電圧が、キャパシタンスの変化の値の表現をもたらすように使用されうる。ソース電流、遷移時間、および遷移電圧のそれぞれが、知られているか、または測定された電圧から求められうるので、遷移領域における電圧プロットの形状は、駆動の間のキャパシタンスの変化量の表現をもたらすことができ、キャパシタンス変化の予測された値と比較されうる。
そのような特性評価方法の一実施形態は、干渉変調器の状態を決定するための光学測定機器を、(可能ではあるが)必要とすることなく、遷移電圧の同定を可能にし、比較的簡素な試験機器を使用して実施されうる。試験プロセスは、干渉変調器の駆動時間に対して実質的に長い期間にわたって実施可能であり、電流など、測定されるパラメータにおける短期間の不連続の同定を、(可能ではあるが)必要としない。
同様の実施形態において、この特性評価方法は、並列に接続された干渉変調器の配列の駆動電圧を試験するために使用されうる。干渉変調器の配列を通して一定電流を加えることにより、電荷が流れる場所を制御する必要はない。というのは、干渉変調器の駆動が始まると、電荷は、駆動している変調器(1つまたは複数)に引き込まれるので、1つの干渉変調器の駆動が、他の干渉変調器が同時に駆動することを排除するからである。このことが、非駆動の変調器上の電荷を減少させ、非駆動の変調器の可動層を、固定電極からわずかに遠くに動かす。しかし、全体としては、干渉変調器の配列の両端の電圧は、配列の中の変調器が次々と駆動するにつれてすべての変調器が駆動してしまうまで、実質的に一定のままである。したがって、干渉変調器の配列の駆動電圧は、上で説明したものと同様の方法で、配列の両端の電圧を、時間の関数として解析することから求められうる。
記録されたデータの付加的な解析が、同様に実施されうる。例えば、電圧の値を時間の関数として記録した後、電圧の関数としてのdV/dtの解析が生成され、Vaの値を同定するために使用されうる。図9に見られるように、プロット110は、遷移前領域112と、遷移領域114と、遷移後領域116とを含む。遷移領域114の中の不連続が、駆動電圧Vaを同定するために使用されうる。
他の実施形態において、制御されたインピーダンスが、変調器の両端の電圧が測定される間、干渉変調器を駆動するために使用されうる。図10は、電圧源132と、抵抗器134と、可変キャパシタとして機能する干渉変調器136とを含む回路130を、概略的に示す。特定の実施形態において、回路130の中で、かなり大きい抵抗器134を使用することが、干渉変調器の状態にかかわらず、電圧駆動経路および干渉変調器の中で、インピーダンスを実質的に一定に保つ。
一実施形態において、図10に示される干渉変調器136は、平行に整列された、干渉変調器の配列であってよい。図11Aは、電荷の関数としての、そのような干渉変調器の配列の両端の電圧のプロット140である。干渉変調器を崩落状態に駆動するのに十分な電圧が、電圧源132を介して供給されるとき、プロットの部分142に見られるように、干渉変調器の両端の電圧が、電荷が蓄積するにつれて増加する。駆動電圧に到達すると、配列の中の1つまたは複数の干渉変調器が、駆動を開始する。上述のように、干渉変調器上の総合的電荷は、増加しており、駆動している干渉変調器が、他の非駆動の干渉変調器から電荷を引き込むので、干渉変調器の大きな配列(例えば、100を超える干渉変調器要素)の両端の電圧は、この駆動期間144の間、実質的に一定のままである。変調器の配列がすべて駆動してしまうと、プロットの部分146に見られるように、電圧は、増加を継続する。
電圧が除かれ、干渉変調器上の電荷が減少すると、領域148に見られるように、干渉変調器の両端の電圧が、解除電圧に到達するまで減少する。変調器が、次々と解除するので、領域150に見られるように、電荷が減少しながら、電圧は実質的に一定のままである。変調器の配列がすべて解除すると、電荷は消滅し続ける。
10以下の干渉変調器を有する配列、または1つだけの干渉変調器など、配列の中に比較的少数の干渉変調器が存在する一実施形態において、駆動している間の干渉変調器の両端の電圧は、実質的に一定のままではなく、駆動の後に増加を継続する前の、駆動している間、わずかに減少する。時間の関数としての干渉変調器の両端の電圧のプロット160が、図11Bに示される。非駆動の干渉変調器のキャパシタンスは、被駆動の干渉変調器のキャパシタンスより小さいため、電圧の増加が、最初は急峻であることが、図から分かる。電圧が幾分減少する駆動期間の後、電圧は、増加を継続する。駆動の後、キャパシタンスは、非駆動状態におけるより被駆動状態における方が大きいので、増加は、干渉変調器が非駆動であったときより急峻でない。
図12Aおよび図12Bは、平行に駆動される大配列の干渉変調器にわたって、時間の関数としての電圧をプロットしたものであり、大きな抵抗器が配列と直列に配置されている。ある実施形態において、そのような抵抗器は、1MΩの抵抗を有してよいが、それより高いかまたは低い抵抗を有する抵抗器が使用されてよく、複数の抵抗器が、所望のレベルの抵抗をもたらすために使用されてよい。図12Aにおいて、正方形の駆動波形172aが、干渉変調器の正負両方のヒステリシスウィンドウにまたがり、測定された電圧応答が、信号174aとして示される。図12Bにおいて、駆動波形172bは、干渉変調器の正のヒステリシスウィンドウだけにまたがり、測定された電圧応答が、信号174bとして示される。両方の場合において、図の部分176など、時間経過に対して実質的に一定の電圧の期間は、上述のように、遷移電圧を表現する。
図12Cは、そのような一実施形態において使用されうる、交互駆動信号178を示す。信号178は、干渉変調器の正の駆動電圧より高くてよい上の電圧179aと、干渉変調器の正の解除電圧および干渉変調器の負の解除電圧の間であるバイアス電圧179bと、干渉変調器の負の駆動電圧より低くてよい下の電圧179cとの間を交互に入れ替わる。そのような一実施形態において、駆動電圧は、干渉変調器の正のヒステリシスウィンドウと負のヒステリシスウィンドウの両方にまたがり、図12Aの駆動信号172aとは対照的に、電圧は、長い期間、バイアス電圧に留まるので、解除電圧の同定を促進することができる。ある実施形態において、バイアス電圧は実質的にゼロであるが、任意の適したバイアス電圧が使用されてよい。
電流測定
他の実施形態において、干渉変調器を通る電流が、干渉変調器の動的挙動を特性評価するために、測定され、解析されうる。干渉変調器の可動膜または可動層が、適切な刺激の印加に対して動くので、干渉変調器のキャパシタンスが、固定された導電性膜であってよい他の導電性膜に対する可動膜の位置に応じて変化する。ゼロでない電圧が干渉変調器の両端に印加されると、キャパシタンスの変化が、適切に選択された回路を通る電流の発生を、結果としてもたらす。時間の関数としての電流がモニタされ、時間の関数としての可動膜の位置などの情報を求めるために使用されうる。
他の実施形態において、干渉変調器を通る電流が、干渉変調器の動的挙動を特性評価するために、測定され、解析されうる。干渉変調器の可動膜または可動層が、適切な刺激の印加に対して動くので、干渉変調器のキャパシタンスが、固定された導電性膜であってよい他の導電性膜に対する可動膜の位置に応じて変化する。ゼロでない電圧が干渉変調器の両端に印加されると、キャパシタンスの変化が、適切に選択された回路を通る電流の発生を、結果としてもたらす。時間の関数としての電流がモニタされ、時間の関数としての可動膜の位置などの情報を求めるために使用されうる。
ある実施形態において、入力電流を、入力電流に比例する電圧出力に変換することにより電流を測定するために、トランスインピーダンス増幅器が使用されうる。したがって、電圧信号が記録されてよく、入力電流と出力電圧との間の関係が、トランスインピーダンス増幅器の設計に基づいて知られているので、時間の関数としての電流が、容易に求められうる。図13A、図13B、および図13Cは、そのような特性評価プロセスにおいて使用されうる、様々な回路設計を示す。
図13Aは、干渉変調器182と、抵抗器184a、184b、184cと、増幅器186とを備える回路180を概略的に示す。特定の一実施形態において、抵抗器184aおよび184bは、1Ωの抵抗器を備えてよく、抵抗器184cは260Ωの抵抗器を備えてよく、増幅器186は、Analog Devices AD8041増幅器を備えてよいが、他の適切な値またはコンポーネントがまた使用されてよく、干渉変調器182の予期される特性に左右されうる。
回路180は、利得を有する非反転演算増幅器として機能する。干渉変調器182からの出力が、演算増幅器186の非反転入力に印加される。この回路の利得は、電圧分割フィードバックネットワークで定式化され、Vout=Vin(184B+184C)/184Bで与えられ、ここで、184Bおよび184Cは、それぞれ、抵抗器184bおよび184cの抵抗である。
図13Bは、干渉変調器192と、抵抗器194a、194b、194c、194d、194e、194fと、増幅器196aおよび196bと、キャパシタ198aおよび198bとを備える代替回路190を概略的に示す。特定の一実施形態において、抵抗器194aおよび194bは27kΩの抵抗器を備えてよく、抵抗器194cは260kΩの抵抗器を備えてよく、抵抗器194dは200kΩの抵抗器を備えてよく、抵抗器194eは1kΩの抵抗器を備えてよく、抵抗器194fは15kΩの抵抗器を備えてよく、増幅器196aおよび196bはAnalog Devices AD8041増幅器を備えてよく、キャパシタ198aは8.2pFのキャパシタを備えてよく、キャパシタ198bは100pFのキャパシタを備えてよいが、他の適切な値またはコンポーネントもまた、使用されてよい。
回路190は、2段増幅回路であり、干渉変調器は、集積回路の第1段を形成する増幅器196aに接続される。増幅器196bを含む増幅回路の第2段は、正確なゼロ電圧点を設定するために、電圧オフセット調整を可能にする。というのは、Voutで示される第2段の出力は、たとえ電圧が干渉変調器192の両端に印加されていないときにも、非ゼロであるからである。
図13Cは、干渉変調器202と、抵抗器204a〜204lと、増幅器206と、キャパシタ208と、信号発生器210と、信号解析モジュール212(例えば、オシロスコープならびに他の信号解析回路および/または論理回路)とを備える他の代替回路200を概略的に示す。特定の一実施形態において、抵抗器204aおよび204fは51Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204bおよび204cは680Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204dおよび204lは8.2Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204eは1Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204fは51Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204gおよび204iは510Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204hは62Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204jは68Ω抵抗器を備えてよく、抵抗器204kは620Ω抵抗器を備えてよい。この実施形態において、キャパシタ208は1μFのキャパシタを備えてよく、増幅器206はAnalog Device AD811増幅器を備えてよい。他の適切な値およびコンポーネントもまた、使用されてよい。
回路200は2段回路として機能する。第1段214は、信号発生器210から印加された信号または図13Cに示されるVdcに比例する信号を含むことができる信号を、干渉変調器202に印加する。第2段216は、干渉変調器202を通る電流を測定するために使用される利得を有する、非反転演算増幅器を備える。
時間の関数としてV(t)で定義される、知られている電圧パルスを加えることにより、干渉変調器202を通る、時間の関数としての電流I(t)が、図13A〜図13Cに関連して説明される回路のうちの1つを使用することができる、任意の適切な測定装置を使用して測定されうる。干渉変調器上の、時間の関数としての電荷Q(t)が、時間の関数としての電流を積分することにより求めることが可能であり、以下の関係
Q(t)=∫I(t)dt (4)
が得られる。
Q(t)=∫I(t)dt (4)
が得られる。
多くの実施形態において、干渉変調器は、2層の間に位置する空気が、干渉変調器の動きに対して制動効果を有する、制動条件の下で動作する。しかし、他の実施形態において、干渉変調器は、制動効果が無視されるように、実質的に真空中で動作されうる。干渉変調器の両端の電圧が増加するとき、初期電流は、干渉変調器の初期状態に左右される。その後、干渉変調器の状態が変化する間、電流は、干渉変調器デバイスの状態の変化に応答して変化する。
図14は、干渉変調器に対する、駆動電圧信号222および測定された電流応答224を、オシロスコープ上で測定されたように示すプロット220である。信号の形をより分かりやすく示すために、測定された電流応答224の垂直方向の縮尺は、駆動信号222に対して垂直方向に拡大されており、それにより、垂直方向の各増分は、駆動信号222に対して目盛当たり2Vを表し、一方、垂直方向の各増分は、電流応答224に対して目盛当たり0.5Vを表す。水平方向の各増分は、両信号に対して、0.1msを表す。駆動電圧信号222は、ステップ関数の電圧変化を含む。駆動電圧信号222の初期の印加が、測定された電流応答224において、急速で強いスパイクを引き起こす。干渉変調器の駆動が、測定された電流応答224における第1のディップ226において発生する。
したがって、以下にさらに説明されるように、干渉変調器が動き始める前の期間の間、電流を積分することで、干渉変調器の初期状態の測定値が与えられる。さらに、干渉変調器が動いている時間の間、電流を積分することで、干渉変調器の動的な機械的応答の測定値が与えられる。同様に、全期間の間、電流を積分することで、干渉変調器の最終状態の測定値が与えられる。
より一般的には、Q(t)およびI(t)の間に上の関係が与えられれば、時間の関数としての干渉変調器のキャパシタンスは、下式
で与えられる。
したがって、時間の関数としての電圧で割り算することにより、時間の関数としてのキャパシタンスが求められうる。このことは、以下の関係
を使用して、膜の位置を時間の関数x(t)として計算するために使用されてよく、ここで、ε0は自由空間の誘電率であり、Aは干渉変調器の面積であり、deはd/kで定義され、ここでdは誘電体層の高さであり、kは誘電体層の比誘電率である。
最後に、印加された信号に対する干渉変調器の動的応答を考慮する、上の情報は、下式(7)
で与えられる制動力を求めるために使用されてよく、ここで、誘電体層すなわち光スタックの上面に対する可動層の位置は、g(t)で与えられ、ここで、g(t)は、固定電極の上に重なる誘電体層の厚さdを考慮することにより、x(t)=g(t)+dのように、固定電極に対する位置x(t)と関係づけられる。さらに、Voffsetは、もし存在すれば、オフセット電圧であり、Kは可動膜のバネ定数であり、goffは、オフセット電圧が印加されるときの、誘電体層と可動層との間の距離であり、mは可動膜の質量である。
したがって、唯一の測定された電流I(t)および知られている駆動信号V(t)、ならびに、いくつかの他の知られているか、または容易に決定可能な干渉変調器の物理的パラメータを使用することで、干渉変調器の動的特性が、正確に求められうる。例えば、時間の関数としての位置は、例えば、干渉変調器の駆動時間を求めるために使用されうる。広範な他のパラメータが、この方法で求められうる。
周波数解析
他の実施形態において、周波数解析が、干渉変調器が入力電圧で駆動されるときに結果として得られる、測定された電流に対して実施されうる。ある実施形態において、図13Bおよび図13Cのものと同様の実験的回路配置が、干渉変調器を駆動し、その結果得られる電流を測定するために使用されてよいが、多種多様の適切な回路が使用されてよい。測定された電流の解析は、いくつかの実施形態において、MEMSデバイスに対する遷移電圧を求めることを可能にし、他の実施形態において、MEMSデバイスの中の可動層に作用する復元力を求めることを可能にする。
他の実施形態において、周波数解析が、干渉変調器が入力電圧で駆動されるときに結果として得られる、測定された電流に対して実施されうる。ある実施形態において、図13Bおよび図13Cのものと同様の実験的回路配置が、干渉変調器を駆動し、その結果得られる電流を測定するために使用されてよいが、多種多様の適切な回路が使用されてよい。測定された電流の解析は、いくつかの実施形態において、MEMSデバイスに対する遷移電圧を求めることを可能にし、他の実施形態において、MEMSデバイスの中の可動層に作用する復元力を求めることを可能にする。
理想的な固定されたキャパシタは、正弦波入力に対して線形応答を生成する。正弦波電圧が、例えば、実際の固定されたキャパシタの両端に印加されると、電荷シフトにより生成される、結果として得られる電流は、実質的に正弦波信号となる。このことは、例えば、高速フーリエ変換(FFT)を実施して、電流信号を周波数領域に変換することにより、実証されうる。応答の中に著しい高調波歪みが存在する場合、固定されたキャパシタは、何らかの非線形な方法で動作している。応答が、他の周波数におけるエネルギーがわずかで、大部分、駆動周波数にあれば、固定されたキャパシタは、主に線形な方法で動作している。
ヒステリシスウィンドウの中または近くに範囲を有する正弦波電圧により駆動される干渉変調器に対して、駆動電圧は、電圧が変化するときの可動膜の動きにより、非線形な応答を生み出す可能性がある。印加される電圧の範囲が、干渉変調器のヒステリシスウィンドウの十分上または十分下にあれば、干渉変調器の応答は、実質的に線形でありうる。
図15Aは、適切な試験回路に接続されたオシロスコープの出力を示すプロット230であり、駆動正弦波電圧232および測定された電流応答234を示す。オシロスコープで実施された、測定された電流応答のFFT236が、グラフの上に示される。FFT236が、駆動周波数において大きなピーク238aを、駆動周波数の第3高調波において比較的小さなピーク238bを含むことが分かる。駆動周波数の高調波における周波数応答は、大きなピーク238aに比べて、比較的小さいかまたは実質的に存在しないので、干渉変調器の応答は、歪みがほとんどなく、実質的に線形であり、駆動信号の電圧範囲が、干渉変調器のヒステリシスの範囲の外にあることが断定されうる。
図15Bは、他の駆動正弦波電圧242が、図15Aに関して使用されたものと同じ試験回路を駆動するために使用されるときの、オシロスコープの出力のプロット240であり、測定された電流応答244を示す。滑らかな正弦波の形状を有する図15Aの電流応答234とは対照的に、図15Bの電流応答244は、著しい歪みを示すことが分かる。この歪みは、測定された電流応答244に対して計算されたFFT246において歴然としており、FFT246は、駆動周波数において予期されるピーク248aのみならず、駆動周波数の高調波それぞれにおいて、いくつかの相当に大きいピーク248b、248c、248d、248e、248f、248g、248hをも含む。この非線形の応答は、駆動電圧の範囲の少なくとも一部が、干渉変調器のヒステリシスウィンドウの中にあることを表現する。
第2高調波およびそれより高い高調波のピークの高さは、干渉変調器の電流応答の非線形性の定量化可能な測定値をもたらす。ある実施形態において、干渉変調器のヒステリシスウィンドウが、一連の正弦波駆動電圧を異なる電圧レベルで印加し、測定された電流のFFTを実施することにより、概算されうる。ある実施形態において、駆動電圧のある高調波における高調波歪みが求められ、閾値レベルと比較されうる。高調波歪みを閾値レベルと比較することが、駆動電流の電圧の範囲が干渉変調器のヒステリシスウィンドウの中にあるかどうかを決定するために使用されうる。
他の実施形態において、測定された電流の周波数解析が、干渉変調器の自然共振周波数を求めるために使用されうる。この自然共振周波数が、今度は、干渉変調器の可動層の復元力を求めるために使用されうる。
その動的挙動の理解に対する一次近似として、干渉変調器は、キャパシタの上部プレートに取り付けられたバネとしてモデル化されうる。図16は、電圧源252が抵抗器254および干渉変調器256の両端に印加され、干渉変調器256の可動膜が、バネ定数Ksを有するバネ258で支持されるようなモデル250を概略的に示す。キャパシタの底プレートから上部プレートまでの距離がxとして定義され、上部プレートと底プレートの間のその最小隙間を設定する誘電体層(図示せず)の厚さがdとして定義され、上部プレートから底プレートまでの最大距離がDとして定義される。電圧Vが印加されるときの、上部プレートの位置の関数としての力、F(x)は、下式
で与えられる。
上式のテーラー級数が、エネルギー平衡の最小値、xminのまわりで計算され、(D−x)次までの項だけを取るならば、F(x)に対する下式の近似式
が得られる。
所与のVに対して、xminが、下式
から得られうる。
上のF(x)の近似式を使用すると、xminまわりの、小振幅の上部プレートの自然周波数振動fが、下式
で定義可能であり、ここで、mは上部プレートの質量を表す。
上部プレートと底プレートとの間の空洞の中に空気(または他の流体)の制動がない状態で、上部プレートの運動および干渉変調器上の電荷Q(t)の式は、以下の2つの結合された微分方程式
を介して関係づけられうる。
t=0において電圧が印加されない、非駆動の干渉変調器に対して、以下の、Q(0)=0、x(0)=D、およびx’(0)=0の初期条件が適用されうる。以下の図面に関して分かるように、電圧が印加される速度が、干渉変調器の応答に影響を及ぼしうる。
図17Aは、時間の関数としての駆動電圧を示す。電圧は、およそ5μsの間に0ボルトから5ボルトまで増加することが分かる。一実施形態において、干渉変調器システムは、以下の近似のパラメータ、D=2,800Å、k=4.75、A=1200μm2、d=500Å、m=1.4×10−12kg、およびR=10,000Ωを有する。図17Aの駆動電圧がそのような干渉変調器に印加されるとき、時間の関数としての位置が計算されて、図17Bに示されるものとなり、時間の関数としての変調器上の電荷が計算されて、図17Cに示されるものとなり、時間の関数としての電流が計算されて、図17Dに示されるものとなり、干渉変調器の両端の電圧が計算されて、図17Eに示されるものとなる。干渉変調器の両端の電圧は、印加された電圧と実質的に同等であり、干渉変調器は、たとえ制動がなくても、式(10)で計算されうるように、安定な位置xminに向かって動くことが分かる。また、干渉変調器が移動する距離は、距離Dのほんの小さな部分にすぎず、それゆえ、干渉変調器は完全には駆動されないことが分かる。
図18Aは、時間の関数としての代替駆動電圧を示す。図に示すように、電圧は、図17Aの駆動電圧と同じレベルまで増加するが、図18Aの電圧は、およそ0.5μsのより短期間に、0ボルトから5ボルトまで増加する。図18Bは、前と同様に駆動電圧とほぼ同じである、計算された干渉変調器の両端の電圧を示す。図18Cは、計算された、時間の関数としての位置を示し、図18Dは、計算された、時間の関数としての電荷を示し、図18Eは、計算された、時間の関数としての電流を示す。たとえ電圧が一定のままであるとしても、干渉変調器は、xminの両側の2位置の間で振動しており、制動がないので、そのように振動することを継続することが分かる。図18Fは、電流のフーリエ変換を示し、そのフーリエ変換からこの振動の周波数が容易に決定可能であり、その周波数は、式(11)で予測されたものにほぼ等しい。
他の実施形態において、抵抗は、10,000Ωから10MΩに増加されうる。図19Aにおいて、干渉変調器の両端の駆動電圧260および測定された電圧262が示される。駆動電圧は、図18Aの駆動電圧と同様であるが、図19Aにおける測定された電圧は、今回は、抵抗が増加し、その結果回路のRC時定数が増加するので、駆動電圧より遅れることが分かる。図19Bは、計算された、時間の関数としての位置を示し、図19Cは、時間の関数としての電荷を示し、図19Dは、時間の関数としての電流を示す。平衡状態xminまわりに振動することに加えて、干渉変調器は、初期に、平衡状態に向かって動いているかのように振動することが分かる。図19Eに示される電流のフーリエ変換が、再び、周波数fの決定を可能にする。
図20Aは、2つの異なる圧力における駆動のプロセスの間の、干渉変調器を通る、時間の関数としての電流を示す。3×10−5トルの圧力の真空チャンバの中の干渉変調器に対する電流応答が、線266aで示され、760トルの圧力のチャンバの中の干渉変調器に対する電流応答が、線268aで示される。チャンバ内の大気圧の空気の、干渉変調器の可動な機械要素に対する制動効果により、線266aの顕著な振動は、線268aにおいてはあまり顕著ではない。いずれかの測定された電流のフーリエ変換を実施することにより、干渉変調器の共振周波数に関する情報が得られ、干渉変調器の可動機械要素の復元力を求めるために使用されうる。
図20Bは、2つの異なる圧力における、被駆動位置からの弛緩のプロセスの間の、干渉変調器を通る、時間の関数としての電流を示す。3×10−5トルの圧力に対する電流応答が、線266bで示され、1気圧の圧力に対する電流応答が、線268bで示される。図20Aに関して示されたものと同様に、チャンバ内の大気圧の空気の、干渉変調器の可動な機械要素に対する制動効果により、線266bの顕著な振動は、線268bにおいてはあまり顕著ではない。いずれかの測定された電流のフーリエ変換を実施することにより、干渉変調器の共振周波数に関する情報が得られ、干渉変調器の可動機械要素の復元力を求めるために使用されうる。
ある実施形態において、上の解析を実施するように構成された回路が、干渉変調器ディスプレイまたは他のMEMSベースのディスプレイモジュールなど、干渉変調器デバイスの駆動回路と共に一体化されうる。そのようなディスプレイモジュールは、干渉変調器などのMEMSベースのディスプレイ、ならびに、上述のような、試験および/または性能特性評価の方法を実施するように構成された、駆動回路および試験またはモニタの回路を備えることができる。干渉変調器の共振周波数の解析は、初期の品質管理測定として実施されてよく、および/または干渉変調器の動的特性の常時モニタのために使用されてよい。というのは、復元力および共振周波数は、動作条件の変化により、時間とともに代わる可能性があり、配列の中の干渉変調器の間で、または異なる干渉変調器配列にまたがって、などにより異なる可能性があるからである。解析は、試験バーストを介して実施されてよく、またはディスプレイデバイスの正常起動中に実施されてよい。ある実施形態において、1配列の中の1つまたは少数の干渉変調器が、この方法で解析されうる。上の方法に対する他の変更が、同様に行われうる。
キャパシタンス測定
他の実施形態において、干渉変調器または干渉変調器配列のキャパシタンスが、測定されうる。ある実施形態において、そのような測定を行うために使用される回路は、干渉変調器ベースのディスプレイなど、干渉変調器デバイスの駆動回路の中に一体化されうるが、この測定は、任意の他の適切な回路を介して行われてよく、ドライバ回路に一体化される必要はない。
他の実施形態において、干渉変調器または干渉変調器配列のキャパシタンスが、測定されうる。ある実施形態において、そのような測定を行うために使用される回路は、干渉変調器ベースのディスプレイなど、干渉変調器デバイスの駆動回路の中に一体化されうるが、この測定は、任意の他の適切な回路を介して行われてよく、ドライバ回路に一体化される必要はない。
特定の一実施形態において、正弦波電圧波形などの周期的な電気刺激が、干渉変調器の両端に印加される。この信号は、単独で印加されてよく、または正規の駆動波形に交互に加えられてよく、正規の駆動波形は、ある実施形態において、DC電圧、または任意の他の適切な干渉変調器駆動スキームであってよい。この周期的正弦波電圧VIMODは、下式
VIMOD=V0sin(2πft) (14)
で表されうる。
VIMOD=V0sin(2πft) (14)
で表されうる。
干渉変調器は可変キャパシタとして作用するので、干渉変調器を通る、時間の関数としての電流I(t)は、下式
として定義可能であり、ここで、CIMODは干渉変調器のキャパシタンスであり、VIMODは干渉変調器の両端の電圧である。
それゆえ干渉変調器の両端に、上の周期的入力電圧を印加することによりもたらされる出力電流は、
IIMOD=2πfCIMODV0cos(2πft) (16)
となる。
IIMOD=2πfCIMODV0cos(2πft) (16)
となる。
結果としてもたらされる電流は周期的であり、入力電圧と同じ周波数を有するが、入力信号と位相が90°ずれている。
また、第2の信号が使用され、形状において入力電圧に似ている。特定の実施形態において、第2の信号はまた、出力電流信号におけるように、余弦項を含み、それにより第2の信号はまた、周期的入力電圧と直交する。ある実施形態において、所望の特性を有する適切な信号が、明確に生成されうる。他の実施形態において、そのような信号は、知られている値を有する基準キャパシタの両端に周期的な入力電圧を印加し、基準キャパシタの両端の、結果として得られる出力を測定することによるなど、入力信号自体を使用して生成されうる。そのような実施形態において、電圧相関信号VCORRは、
VCORR=V1cos(2πft) (17)
で与えられうる。
VCORR=V1cos(2πft) (17)
で与えられうる。
次いで、第2の信号は、干渉変調器を通る、測定された出力電流と関連づけられ、干渉変調器のキャパシタンスを表現する信号を生成することができる。ある実施形態において、相関は、混合器回路または乗算器の使用を通じて実施されてよく、特定の実施形態において、2つの信号が、混合器を使用して掛け算されるが、他の実施形態は、必要に応じて異なる演算を使用してよい。この実施形態において、混合器は、知られている利得kを有し、混合器からの電圧出力は、したがって
VMIXER=kIIMODVCORR (18)
で与えられる。
VMIXER=kIIMODVCORR (18)
で与えられる。
入力電圧および相関電圧信号が、上の式で与えられる場合、理想的な場合の混合器からの電圧出力は、
で与えられる。
上式において、混合器からの電圧出力は、定数項および時間依存項の両方を含むことが分かる。混合器からの電圧出力は、時間依存項を縮小するかまたは除去するために、フィルタにかけられてよく、下式
VFILTER=πfCIMODkV0V1 (20)
が得られる。
VFILTER=πfCIMODkV0V1 (20)
が得られる。
したがって、フィルタから、結果として得られた電圧出力は、干渉変調器のキャパシタンスに比例する。上式の中の残りの項は知られているので、干渉変調器のキャパシタンスは、フィルタからの電圧出力に基づいて求められうる。
上のように、相関波形が入力電圧信号と直交するとき、たとえ、測定された干渉変調器が「漏れやすく」、したがって、そのインピーダンスの中に抵抗成分を有するときでも、出力は、キャパシタンスに比例する。相関信号が入力波形と同じ形状を有する実施形態において、出力は、干渉変調器のインピーダンスの抵抗成分に比例する。様々な相関信号を使用することにより、干渉変調器のインピーダンスの抵抗性およびリアクタンス性の両方の測定値が測定されうる。ある実施形態において、複数の相関回路の使用を通じて、干渉変調器のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分が、同時に測定されうる。
上述のように、周期的入力電圧が、任意の駆動信号と併せて印加されてよく、様々な電圧レベルにおいてキャパシタンスまたはインピーダンスを求めるために、DC電圧スイープと併せるなど、複数のDC電圧値において、測定が行われうる。キャパシタンスなど、干渉変調器特性は、干渉変調器の状態に応じて変化するので、多様なDC電圧レベルにわたるキャパシタンス測定が行われ、次いで干渉変調器の駆動または解除によるキャパシタンスの変化に注目することで、遷移電圧を同定するために使用されうる。
他の実施形態において、入力電圧および相関電圧は、正弦波信号でなくてよく、方形波または三角波を含むがそれらに限定されない、任意の他の種類の信号であってよい。特に、方形波が使用されるとき、適切な混合器がスイッチだけを使用して設けられてよく、回路設計が簡素化される。
図21は、相関回路を駆動回路と一体化する例示的回路270を、概略的に示す。この回路は、例えば、MEMSベースのディスプレイモジュールの一部を形成することができる。ここでは、干渉変調器配列に関して説明するが、他のMEMSデバイスおよび/またはデバイス配列が、同様に使用されてよい。回路270は、干渉変調器配列272を駆動するように構成された駆動回路とともに、干渉変調器配列272を備える。ディジタル論理回路274が、静的(または、準静的)駆動電圧を干渉変調器配列に供給するように構成された、ディジタルアナログ変換器276aおよび276bを制御する。干渉変調器配列の個別の行および列が、ある実施形態において、スイッチ278aおよび278bを介してアドレス指定されうる。
駆動回路に加えて、回路270は、例えば、上述の方法を実施するために使用されうる付加的回路を備える。上述の入力信号など、付加的信号が、付加的信号を生成するために使用されうる直接ディジタル合成ブロック280aを介して生成されてよく、直接ディジタル合成ブロック280aは、付加的ディジタルアナログ変換器276cと併せて使用されてよい。干渉変調器を通る電流が、ディジタルアナログ変換器276dと併せて使用されうるインピーダンス変換増幅器282を介して測定されうる。インピーダンス変換増幅器からの出力は、混合器284aを介して、直接ディジタル合成ブロック280bにより、またはディジタルアナログ変換器により生成された相関信号と混合されうる。上述のように、フィルタ286aは、結果として得られた信号の周期的部分をフィルタにかけるために使用されてよく、アナログディジタル変換器288は、フィルタにかけられた、またはかけられていない、結果として得られた信号をディジタル化するために使用されうる。他の実施形態において、混合器284bは、測定された電流を、例えば、入力信号と混合するために使用されてよく、フィルタ286bは、信号をフィルタにかけるために使用されてよい。
他の測定がまた、混合器284bからの出力を使用して行われうる。例えば、電流で掛け算された、混合器からの出力は、干渉変調器で使用される全電力を表現する値を得る。フィルタ286bからの出力が電流で掛け算されると、その計算結果は、干渉変調器配列272のうちの1つまたは複数のデバイスで使用される平均電力を表現する値となる。実際または平均のいずれかの電力使用を求めるように構成された測定回路が、電力使用に関するそのような情報の決定をもたらすために、デバイスの中に、特に、モバイルデバイス、または電力消費が重要な他のデバイスの中に、一体化されうる。
ノイズ除去
他の実施形態において、スペクトラム拡散技術が、干渉変調器のキャパシタンス測定に使用されうるが、これらの技術は、同様に、他の干渉変調器特性の測定に使用されうる。知られている入力パラメータがシステムに適用され、結果として得られた出力信号が、出力パラメータを求めるために使用されうる。出力信号は、知られている入力パラメータだけでなく、このシステムの中の任意の望ましくないノイズまたは干渉にも左右され、出力パラメータの測定が複雑になる。
他の実施形態において、スペクトラム拡散技術が、干渉変調器のキャパシタンス測定に使用されうるが、これらの技術は、同様に、他の干渉変調器特性の測定に使用されうる。知られている入力パラメータがシステムに適用され、結果として得られた出力信号が、出力パラメータを求めるために使用されうる。出力信号は、知られている入力パラメータだけでなく、このシステムの中の任意の望ましくないノイズまたは干渉にも左右され、出力パラメータの測定が複雑になる。
上述のように、干渉変調器のキャパシタンスの測定が、電流の測定を通じて行われ、キャパシタンスが、結果として得られる電流から計算される。結果として得られるキャパシタンスは、例えば、干渉変調器のヒステリシス曲線を求めるために使用されうる。測定された電流は、ノイズまたは干渉に影響されうるので、スペクトラム拡散技術は、このノイズまたは干渉が測定された電流に与える影響を最小化するために使用されうる。望ましくないことに、測定された電流を使用して求められた出力パラメータは、このノイズまたは干渉に影響され、求められた出力パラメータが、あまり正確でなくなる。
一実施形態において、高度のランダム性を有する、知られている信号が、干渉変調器に印加される駆動電圧で変調される。ある実施形態において、知られている信号は、知られている疑似ランダム信号である。他の実施形態において、知られている信号は、知られている信号を得るために測定される、純粋にランダムな信号であってよい。図22Aは、干渉変調器の両端に印加されるべき、変調された駆動電圧290を示し、駆動電圧は、知られているランダム信号または疑似ランダム信号で変調されている。
ノイズまたは干渉が実質的にほとんど存在しないかまたは皆無の、理想的な場合、変調された駆動電圧290が干渉変調器の両端に印加されるときの、干渉変調器を通る、結果として得られる電流が、図22Bの理想的な、結果として得られる電流292で与えられうる。しかし、ノイズまたは干渉が信号に影響する一実施形態において、結果として得られる電流は、図22Cの結果としての電流294で与えられうる。図示の実施形態において、DC電圧および正弦波電圧の形の人工的ノイズが、付加的ノイズとして使用されてきた。結果として得られる電流294が、ノイズまたは干渉により、正弦波形状および理想電流292に対するDCオフセットを有することが分かる。所与の実施形態における特定の歪みが、ノイズまたは干渉の原因に応じて、様々な方法で、結果として得られる電流の形を変える可能性があり、形および影響においてよりランダムになる可能性がある。
次いで、知られているランダムまたは疑似ランダム信号の影響を取り除き、駆動電圧が、知られているランダムまたは疑似ランダム信号で変調されていなかった出力の表現である、復調された信号を得るために、結果として得られる電流が、復調されうる。駆動電圧を変調するために使用されるランダムまたは疑似ランダム変調信号は、設計または測定のいずれかにより知られているので、復調信号は、変調信号に基づいて決定可能であり、変調信号の影響を取り除くために使用されうる。この場合、キャパシタンスは、電圧、および電流の時間積分と関係づけられるので、変調信号の時間積分が求められ、復調信号として使用されうる。
図22Dは、変調信号の時間積分を復調信号として使用して、理想的な、結果として得られる電流292を復調した結果得られた、理想的な復調された電流296を示す。図22Eは、結果として得られた電流294を復調して得られた、ノイズの多い復調された電流298、ならびに、そのノイズの多い復調された電流298の時間平均299を示す。時間平均299は、付加的なノイズの導入にもかかわらず、理想的な復調された電流296に非常に近いことが分かる。復調された電流298の時間平均299が、干渉変調器のキャパシタンスを求めるために使用されうる測定値をもたらす。
知られている変調信号の使用が、変調信号と直接関連する復調された信号の使用と結合されて、ランダムノイズの影響をほとんど受けない、結果として得られる測定値をもたらす。この、結果として得られる電流が、上述のものと同様の方法で干渉変調器のキャパシタンスを求めるため、ならびに干渉変調器の他の特性を求めるために、駆動電圧と併せて使用されうる。
上述のように、この方法は、干渉変調器ディスプレイデバイスなど、干渉変調器配列の駆動回路と一体化されたコンポーネントを介して実施されうる。さらに、変調および復調のために、無相関の疑似ランダム関数を適用することは、出力に対する変化を、結果としてもたらさない。したがって、異なる直交疑似ランダム関数を使用して、複数のそのような測定が、同じシステムの中で同時に実施される場合、それらの測定は、互いに干渉せず、複数の同時測定が同じシステム上で行われることを可能にする。例えば、配列の中の複数の干渉変調器の画素のキャパシタンスが、同時に測定されうる。
上の実施形態および上述の方法の様々な組合せが、企図される。例えば、スペクトラム拡散技術が、ノイズまたは干渉の影響を最小化するために、広範な他の測定と併せて使用されうる。さらに、本明細書で説明された試験方法は、MEMSデバイス試験の他の方法と組み合わせて使用されうる。
実施形態に従って、本明細書の中で説明された任意の方法の行為(act)または事象(event)は、その試験が具体的に、明確に、違っていることを詳述しない限り、追加され、融合され、または完全に除外される、他のシーケンスで実施されうる(例えば、方法を実施するために、必ずしもすべての行為または事象が必要であるわけではない)ことが、同様に理解されよう。
上の詳細な説明が、様々な実施形態に適用される新規な特徴を示し、説明し、指摘したが、例示されたプロセスのデバイスの形態および詳細において、様々な省略形態、置換形態、および変形形態が行われてよい。本明細書の中で説明された特徴および利点の、必ずしもすべてをもたらすものではない、いくつかの形態がなされてよく、また、いくつかの特徴が、他のものから独立して使用または実施されてよい。
12a、12b 干渉変調器
14、14a、14b 可動反射層
16、16a、16b 光スタック
18 柱
19 隙間
20 基板
21 プロセッサ
22 配列ドライバ
24 行ドライバ回路
26 列ドライバ回路
27 ネットワークインターフェース
28 フレームバッファ
29 ドライバコントローラ
30 ディスプレイ配列
32 テザー
34 変形可能層
40 ディスプレイデバイス
41 ハウジング
42 支柱プラグ
43 アンテナ
44 バス構造
45 スピーカ
46 マイクロフォン
47 トランシーバ
48 入力デバイス
50 電源
52 調整ハードウェア
100 プロット
102 遷移前領域
104、104b 遷移領域
106 遷移後領域
107 領域
108a、108b、108c 電圧値
109 領域
110 プロット
112 遷移前領域
114 遷移領域
116 遷移後領域
130 回路
132 電圧源
134 抵抗器
136 干渉変調器
140 プロット
142、146 部分
144 駆動期間
148、150 領域
160 プロット
172a、172b 駆動波形
174a、174b 電圧応答信号
176 部分
178 交互駆動信号
179a 上の電圧
179b バイアス電圧
179c 下の電圧
180 回路
182 干渉変調器
184a、184b、184c 抵抗器
186 増幅器
190 回路
192 干渉変調器
194a、194b、194c、194d、194e、194f 抵抗器
196a、196b 増幅器
198a、198b キャパシタ
200 回路
202 干渉変調器
204a−204l 抵抗器
206 増幅器
208 キャパシタ
210 信号発生器
212 信号解析モジュール
214 第1段の回路
216 第2段の回路
220 プロット
222 駆動電圧信号
224 電流応答
226 第1のディップ
230 プロット
232 駆動正弦波電圧
234 電流応答
236 電流応答のFFT
238a 大きなピーク
238b 小さなピーク
240 プロット
242 駆動正弦波電圧
244 電流応答
246 電流応答のFFT
248a 駆動周波数に対するピーク
248b、248c、248d、248e、248f、248g、248h 高調波に対するピーク
250 モデル
252 電圧源
254 抵抗器
256 干渉変調器
258 バネ
260 駆動電圧
262 測定された電圧
266a、266b、268a、268b 電流応答
270 回路
272 干渉変調器配列
274 ディジタル論理回路
276a、276b、276c、276d ディジタルアナログ変換器
278a、278b スイッチ
280a、280b ディジタル合成ブロック
282 インピーダンス変換増幅器
284a、284b 混合器
286a、286b フィルタ
288 アナログディジタル変換器
290 変調された駆動電圧
292、294、296、298 電流
299 電流の時間平均
14、14a、14b 可動反射層
16、16a、16b 光スタック
18 柱
19 隙間
20 基板
21 プロセッサ
22 配列ドライバ
24 行ドライバ回路
26 列ドライバ回路
27 ネットワークインターフェース
28 フレームバッファ
29 ドライバコントローラ
30 ディスプレイ配列
32 テザー
34 変形可能層
40 ディスプレイデバイス
41 ハウジング
42 支柱プラグ
43 アンテナ
44 バス構造
45 スピーカ
46 マイクロフォン
47 トランシーバ
48 入力デバイス
50 電源
52 調整ハードウェア
100 プロット
102 遷移前領域
104、104b 遷移領域
106 遷移後領域
107 領域
108a、108b、108c 電圧値
109 領域
110 プロット
112 遷移前領域
114 遷移領域
116 遷移後領域
130 回路
132 電圧源
134 抵抗器
136 干渉変調器
140 プロット
142、146 部分
144 駆動期間
148、150 領域
160 プロット
172a、172b 駆動波形
174a、174b 電圧応答信号
176 部分
178 交互駆動信号
179a 上の電圧
179b バイアス電圧
179c 下の電圧
180 回路
182 干渉変調器
184a、184b、184c 抵抗器
186 増幅器
190 回路
192 干渉変調器
194a、194b、194c、194d、194e、194f 抵抗器
196a、196b 増幅器
198a、198b キャパシタ
200 回路
202 干渉変調器
204a−204l 抵抗器
206 増幅器
208 キャパシタ
210 信号発生器
212 信号解析モジュール
214 第1段の回路
216 第2段の回路
220 プロット
222 駆動電圧信号
224 電流応答
226 第1のディップ
230 プロット
232 駆動正弦波電圧
234 電流応答
236 電流応答のFFT
238a 大きなピーク
238b 小さなピーク
240 プロット
242 駆動正弦波電圧
244 電流応答
246 電流応答のFFT
248a 駆動周波数に対するピーク
248b、248c、248d、248e、248f、248g、248h 高調波に対するピーク
250 モデル
252 電圧源
254 抵抗器
256 干渉変調器
258 バネ
260 駆動電圧
262 測定された電圧
266a、266b、268a、268b 電流応答
270 回路
272 干渉変調器配列
274 ディジタル論理回路
276a、276b、276c、276d ディジタルアナログ変換器
278a、278b スイッチ
280a、280b ディジタル合成ブロック
282 インピーダンス変換増幅器
284a、284b 混合器
286a、286b フィルタ
288 アナログディジタル変換器
290 変調された駆動電圧
292、294、296、298 電流
299 電流の時間平均
Claims (26)
- 微小電気機械システム(MEMS)デバイスの挙動を特性評価する方法であって、
駆動電圧信号を前記MEMSデバイスに印加するステップであって、前記MEMSデバイスが可動層を備える、ステップと、
前記MEMSデバイスを通る電流を時間の関数として測定するステップと、
前記電流をある期間にわたって積分するステップと、
前記積分された電流に基づいて前記MEMSデバイスの動作特性を決定するステップと、を備えている方法。 - 前記MEMSデバイスを通る前記電流を積分するステップが、前記MEMSデバイス上に蓄積された電荷の時間の関数としての測定値を提供する請求項1に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスが干渉変調器デバイスを備えており、前記干渉変調器上に蓄積された電荷を前記駆動電圧信号で割り算することにより、前記干渉変調器デバイスのキャパシタンスの時間の関数としての測定値を求めるステップをさらに備えている請求項1に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスが、キャパシタを形成する可動層および固定層を共に備え、少なくとも部分的には、前記キャパシタンスの時間の関数としての測定値に基づいて、前記固定層に対する前記可動層の位置の測定値を求めるステップをさらに備えている請求項2に記載の方法。
- 少なくとも部分的には、前記可動層の前記位置の測定値に基づいて、前記可動層に作用する制動力の測定値を決定するステップをさらに備えている請求項4に記載の方法。
- 少なくとも部分的には、前記可動層の前記位置の時間の関数としての前記測定値に基づいて、前記MEMSデバイスの応答時間の測定値を決定するステップをさらに備えている請求項4に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスが干渉変調器を備えている請求項1に記載の方法。
- 微小電気機械システム(MEMS)デバイスの動的挙動を特性評価する方法であって、
第1の期間の間に前記MEMSデバイスに駆動電圧を印加するステップであって、前記MEMSデバイスが可動電極および固定電極を備えているステップと、
第2の期間にわたって前記MEMSデバイスを通る電流を時間の関数として測定するステップであって、前記第2の期間が前記第1の期間の少なくとも一部を備えているステップと、
前記電流の積分に基づいて前記MEMSデバイスの前記動的挙動を決定するステップと、を備えている方法。 - 前記MEMSデバイスの前記動的挙動を決定するステップが、前記MEMSデバイス上に蓄積された電荷を時間の関数として決定するステップを備えている請求項8に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスの前記動的挙動を決定するステップが、前記MEMSデバイスの可動電極の位置を時間の関数として決定するステップを備えている請求項8に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスの前記動的挙動を決定するステップが、前記MEMSデバイスの可動層に作用する制動力を決定するステップを備えている請求項8に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスの前記動的挙動を決定するステップが、前記MEMSデバイスの駆動時間を決定するステップを備えている請求項8に記載の方法。
- 前記測定された電流を使用して前記第2の期間を決定するステップをさらに備えている請求項8に記載の方法。
- 前記測定された電流を使用して前記第2の期間を決定するステップは、前記可動層の動きの開始を決定するステップを備えている請求項11に記載の方法。
- 前記第2の期間が、前記第1の期間の開始から前記可動層の前記動きの前記開始まで延び、前記MEMSデバイスの前記動的挙動の表示を提供するステップは、前記MEMSデバイスの初期状態を決定するステップを備えている請求項14に記載の方法。
- 微小電気機械システム(MEMS)デバイスの可動層に及ぼされた制動力を決定する方法であって、
駆動電圧信号を前記MEMSデバイスに印加するステップであって、前記MEMSデバイスは可動層を含み、及び前記駆動電圧は前記可動層を移動させるステップと、
前記MEMSデバイスを通る電流を時間の関数として測定するステップと、
前記電流をある期間にわたって積分するステップと、
前記積分された電流に基づいて、前記可動層に及ぼされた前記制動力を決定するステップと、を備えている方法。 - 前記可動層に及ぼされる前記制動力を時間の関数として決定するステップは、前記MEMSデバイス上に蓄積される電荷を時間の関数として決定するステップを備えている請求項16に記載の方法。
- 前記制動力を決定するステップは、前記可動層の位置を時間の関数として決定するステップを備えている請求項16に記載の方法。
- 前記MEMSデバイスは、干渉変調器を備えている請求項16に記載の方法。
- 可動層を備えている微小電気機械システム(MEMS)デバイスと、
前記可動層の動きを誘発するために駆動電圧信号を前記MEMSデバイスに印加し、前記MEMSデバイスを通る電流を時間の関数として測定し、前記電流をある期間にわたって積分し、及び前記MEMSデバイスの挙動特性を前記積分された電流に基づいて決定するために構成された回路と、を備えているデバイス。 - 前記回路が、前記可動層の位置を決定するようにさらに構成された請求項20に記載のMEMSデバイス。
- 前記回路が、前記可動層に作用する制動力を決定するようにさらに構成された請求項20に記載のMEMSデバイス。
- MEMSデバイスの可動層の動きを誘発するための手段と、
前記MEMSデバイスを通る電流を測定するための手段と、
前記電流をある期間にわたって積分するための手段と、
前記積分された電流に基づいて、前記MEMSデバイスの挙動を特性評価するための手段と、を備えているデバイス。 - 動きを誘発するための前記手段は、前記MEMSデバイスの前記可動層に駆動電圧を印加するように構成された回路を備えている請求項23に記載のデバイス。
- 前記MEMSデバイスの前記挙動を特性評価するための前記手段は、前記可動層の位置を決定するように構成された回路を備えている請求項23に記載のデバイス。
- 前記MEMSデバイスの前記挙動を特性評価するための前記手段は、前記可動層に作用する制動力を決定するように構成された回路を備えている請求項23に記載のデバイス。
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