KR20010062739A - 비접촉 에지 결합된 히든 힌지 지오메트리 디지털마이크로미러 디바이스 및 방법 - Google Patents

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Abstract

비접촉 에지 결합된 히든 힌지 지오메트리 DMD 디바이스와 방법이 개시되어 있으며, 여기서 CMOS 기판의 표면에서 미러 또는 기초를 이루는 요크와 랜딩 패드와의 어떤 물리적 접촉도 요구되지 않는다. 이것은 종래의 디바이스들에서 발견되는 "고착" 미러("sticking" mirror)의 문제점을 제거하며, 결과적으로 정밀한 패시베이션 코팅과 값비싼 밀봉 패키지들에 대한 요구들을 감소시킴으로써 제조 공정을 간단하게 한다. 이 새로운 DMD 구조에서, 캡쳐 전극(24)이 요구된 각도의 영역 내에서 회전할 때, 캡쳐 전극(24)이 미러(20) 또는 요크(22)의 연속적인 에지와 매우 가까이 있도록 디바이스의 표면 위에 적절한 높이에 제공된다. 이 캡쳐 전극(24)과 미러 어셈블리는 그것이 캡쳐 전극의 평면으로 들어올 때 번갈아 미러를 멈추게하는 상기 둘 사이의 매우 높은 정전기적 인력을 수립하기 위해 바이어스된다. 상기 미러 어셈블리의 펄스 파형을 적절하게 맞춤으로써, DMD 미러들의 진동이 요구된 회전 각도에서 멈출 때 상기 미러가 상기 DMD 미러들의 진동을 막기 위해 임계 감쇠될 수 있다.

Description

비접촉 에지 결합된 히든 힌지 지오메트리 디지털 마이크로미러 디바이스 및 방법{DIGITAL MICROMIRROR DEVICE AND METHOD FOR NON-CONTACTING, EDGE-COUPLED HIDDEN HINGE GEOMETRY}
본 발명은 공간 광변조기에 관한 것으로 특히 새로운 비접촉, 에지 결합된 히든 힌지 지오메트리를 이용한 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD) 공간 광변조기에 관한 것이다.
도 1은 모두 표준 SRAM 메모리 셀 상에 설치되는 3개의 금속층 구조로 분해된 종래의 히든 힌지 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 도시한다. 도 1a는 요크 어드레스 패드들(1), 바이어스/리셋 버스(2), 랜딩 사이트들(3) 및 아래쪽(미도시)의 SRAM 메모리셀과 통하는 비아 커넥션들(13)로 구성되는, 메모리셀 위의 제1 금속층을 도시한다. 도 1b는 미러 어드레스 전극들(4), 전극 지지 포스트들(5), 토션 힌지(6), 힌지 지지 포스트들(7), 요크(8), 및 요크 랜딩 팁들(9)로 구성되는, 금속 구조물의 제2층(300)을 도시한다. 이 제2 금속층(300) 어셈블리는 제1 금속층(200) 상에 놓이며, 전극 지지 포스트들(5) 및 힌지 지지 포스트(7) 수단에 의해 지지된다. 최종적으로, 도 1c는 고반사 미러(highly reflective mirror)(10) 및 그 지지 포스트(11)로 구성되는 제3 금속층(400)을 도시한다. 이전과 마찬가지로, 미러 어셈블리(400)는 제2 금속층(300) 상에 위치하며, 요크(8) 중앙에 위치하는 미러 지지 포스트(11)에 의해 지지된다. 작동시에는, 바이어스 전압이 힌지 지지 포스트들(7)에 의해 요크 어셈블리(8)에 결합되는 바이어스/리셋 버스(2)에 인가된다. 그런 후, 요크 어드레스 패드들(1) 및 미러 어드레스 전극들(4)이 펄스로 인가되어 어드레스 패드들 및 미러 어셈블리 사이에 전기장을 형성시키고, 밑에 있는 메모리 셀의 바이너리 상태에 의존하는 한 방향 또는 다른 방향으로 요크/미러 어셈블리를 기울어지도록 유발하는 정전기력을 발생시킨다. 도시된 바와 같이, 비록 요크 및 미러 어셈블리들이 함께 회전한다고 해도, 정전기력이 2개의 영역들(12)(빗금으로 도시); 즉 제2면 상의 미러 어드레스 전극들(4) 및 제3면 사이 뿐만 아니라, 제1면 상의 요크 어드레스 패드(1) 및 제2면 상의 요크(8) 사이에 형성된다. 요크(8)는 자신의 2개의 랜딩 팁들(9)이 밑에 있는 금속층(200) 상의 랜딩 사이트들(3)과 접촉할 때까지 회전한다. 회전각은 요크 지오메트리 및, 하층인 금속층(200) 상에서의 제2 금속층(300)의 높이에 관한 함수이다. 힌지 지지 포스트들(7)로부터 요크(8) 및 미러(10)를 지지하는 길고, 얇으며, 좁은 토션 힌지들(6)은 더 두꺼운 요크(8)가 평평하게 유지되도록 인가된 토크를 가진다. 최종적으로, 리셋 펄스는 랜딩 사이트(3)로부터 상기 미러/요크 어셈블리를 들어올려서 자유롭게 하기 위해 상기 바이어스/리셋 버스(2)에 응용된다.
도 2는 상기에서 언급된 SRAM 메모리를 포함하는 종래의 DMD의 4개의 층들의 3차원 집합을 도시한다. 이들은 CMOS SRAM 메모리 층(100), 어드레스 및 랜딩 패드 층(200), 요크 및 힌지 층(300) 및 미러 층(400)으로 구성된다. 작동시에는 미러 어셈블리가 SRAM 메모리 셀(14)의 바이너리 상태("0" 또는 "1")에 의존하여 양 또는 음의 방향으로 기울지도록 하기 위해 이 종래의 DMD 디바이스는 힌지와 평행한 대각선 축에 대해 대칭적인 것을 도면으로부터 알수 있다. 전형적인 DMD의 지오메트리는 미러가 약 ±10˚로 기울어지도록 한다.
도 3은 3개의 미러와 다른 픽셀들에 대해 기본적 구조를 도시하는 종래의 히든 힌지 DMD 픽셀들의 어레이의 3차원 절단도이다. 도면에는 다음과 같은 것들: 요크 어드레스 패드(1), 바이어스/리셋 버스(2), 요크 랜딩 사이트들(3), 미러 어드레스 전극(4), 전극 지지 포스트(5), 토션 힌지(6), 힌지 지지 포스트(7), 요크(8), 요크 랜딩 팁들(9), 반사 미러(10), 미러 지지 포스트(11), SRAM 메모리 셀(14)에 대한 비아들(13)이 포함된다. 사각 미러들이 약 ±10˚정도로 기울어지며, 400 나노미터부터 650 나노미터까지의 칼라 스펙트럼 내에 있는 가시광선에 대해 고 반사한다.
도 4는 기본적 구조의 전망을 드러내기 위해 투명하게 도시된 미러들(10)을 가지는 2개의 DMD 셀들을 도시한다. 하나의 미러는 -10˚로 회전된 상태로 도시되어 있고, 다른 하나는 +10˚로 회전된 상태로 도시되어 있으며, 각각 기본적인 메모리 셀들(14)에서 "0" 또는 "1"의 바이너리 상태를 나타내고 있다. 이 도면은 요크 랜딩 팁들(9)이 기초를 이루는 랜딩 패드 사이트들(3)과 접촉할 때까지 부착된 미러(10)를 가지는 요크(8)가 어떻게 토션 힌지(6) 상에서 회전하는지를 명확하게 도시하고 있다. 요크 랜딩 팁(9)과 랜딩 패드 사이트들(3) 사이의 기계적 접촉이 본 발명과 특히 연관이 있다. 종래의 DMD들의 하나의 문제점은 "고착 미러들"("sticking mirrors")의 문제점이며, 여기서 랜딩 팁들은 패드를 들어 올리는데 있어서 속도가 늦고, 디바이스의 반응에 영향을 미치고, 몇몇의 경우에는 영구적으로 랜딩 패드에 고착된다. 이 고착 문제점의 원인은 여러가지가 있으며, 이들 중에서 몇몇은 패키지에서의 습기, 금속 랜딩 패드로의 랜딩 팁 세정(landint tips scrubbing) 및 패키지 내에 디바이스들을 탑재하고 광학 글래스 커버를 패키지 상에 탑재하기 위한 제조 공정에서 사용되는 에폭시 방수제의 아웃개싱을 포함한다. 이 "고착"("sticking") 문제는 그들을 고착하도록 하기 위해 루브리케이션(lubrication) 또는 패시베이션(passivation) 층을 금속 표면들에 가함으로써 그리고 또한 그것을 파괴하여 속박 표면 접촉으로부터 자유롭게 하기 위해 픽셀 안으로 에너지를 불어넣는 공진 리셋 방법들의 사용을 통하여 제기되어왔다. 더욱 최근에는, 이 고착 문제들을 극복하는 것을 돕기 위하여 미러들의 팁들에 스프링 팁(spring-tips)이 추가되어 왔다. 이에 더하여, 패키지 내의 수분을흡수하기 위해 제거 재료(gettering material)가 종종 추가된다. 상당히 효과적임에도 불구하고, 이들 해결책들은 여전히 패시벤트의 롱 텀 저하(long-term degradation)에 대한 문제를 가지고 있으며, 그리하여 윈도우 부착(window attachment)에 선행하는 밀봉 패키지들 및 복잡한 공정 단계들에 대한 요구들에 대한 기술을 드라이브한다. 이것은 추가적인 비용, 복잡성 및 제품 인도에 있어서의 어려움을 더한다.
따라서 디바이스 또는 픽셀들의 어레이의 길이와 양립하고, 아래의 메모리 기판 표면과 물리적 접촉없이 그리고 결과적으로 접촉을 피하기 위한 어려움을 모두 피할 수 있는, 신뢰할 수 있고, 예상 가능하게 요구된 각도에서 회전하는 DMD를 실행하는 것이 바람직하다. 고착 문제의 제거는 미러 이미지의 더욱 예상 가능한 실행을 가능하게 하고, 디바이스 고장의 가장 잦은 원인 즉, 고착된 빛나는 미러들을 제거한다. 접촉 결여는 또한 첫 번째 전극 레벨 상의 미립자들에 대한 더 많은 특전을 제공하고, 특별 암 금속 광 흡수층(special dark metal light absorbing layers)을 허용하고, SiO2와 같은 종래의 CMOS 전기적 패시베이션 층들의 사용을 가능하게 한다. 여기에서 개시된 발명은 이 필요성을 제기한다.
대표적인 선행하는 종래의 일반적인 타입의 구조물이 Hornbeck의 미국 특허 제5, 535,047호와 여러 출판물들 즉, (1) "Digital Light Processing for High-Brightness, High-Resolution Applications", by Larry J. Hornbeck, Electronic Imaging, EI'97, Projection Displays III, Co-Sponsored by IS&T and SPIE, 10-12February 1997, san Jose, California, 및 (2) "Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a Bright Future", Larry J. Hornbeck, Micromachining and Microbabrication '95, Part of SPIE's Thematic Applied Science and Engineering Series, 23-24 October 1995, Austin Texas 에 도시되어 있다.
비접촉 에지 결합된 히든 힌지 지오메트리에 대한 새로운 DMD 디바이스와 방법이 개시되어 있다. 이 접근법은 CMOS 기판의 표면에서 미러 또는 기초를 이루는 요크와 랜딩 패드 사이의 어떤 물리적 접촉을 요구하지 않는다. 결과적으로, 이는 종래의 디바이스들에 있어서의 고착 미러들의 문제점을 제거하며 정밀한 패시베이션 코팅 및 값비싼 밀봉 패키지들에 대한 요구들을 상당히 감소시킨다.
이 방법은 어느 정도는 여전히 디지털 작동을 유지하는, 그러나 픽셀을 요구된 회전 위치 근처로 편향시켜 요구된 회전 각도에서 DMD 미러를 래칭하는 에지 결합된 용량성의 정전기력으로 그것을 사로잡기 위해 직교 또는 대각선의 축 중의 어느 하나 근처에서 동작하도록 변경되어 온 종래의 DMD 구조를 사용한다.
종래의 DMD들에서와 같이, 회전 각도는 DMD 상부 구조를 설치하기 위해 사용되는 유기체 층의 두께에 의해 간단하게 결정된다. 디바이스의 패브리케이션 동안에는, 캡쳐 전극이 요구된 각도의 영역 내에서 회전할 때, 캡쳐 전극이 회전 미러 또는 요크의 연속적인 에지 매우 가까이에 있도록 디바이스의 표면 위의 적절한 높이에 제공될 것이다. 이 멈춤 전극(stop electrode)은 그것이 캡쳐 전극의 평면안으로 들어갈 때, 미러 어셈블리와의 매우 높은 정전기적 인력을 수립하기 위해 펄스로 인가된다. 캡쳐 전극 펄스 파형을 용도에 맞게 맞춤으로써, 안정적인 동작을 제공하고 요구된 회전 각도 주위에서 DMD 미러의 회전을 방지하기 위해 미러는 임계 감쇠될 수 있다.
이 접근법은
접촉하는 또는 랜딩된 DMD 픽셀 아키텍쳐들에 기인하여 고착을 제거하고,
제조 단계 동안에 랜딩 표면을 패시파잉(passifying)할 필요를 제거하고,
랜딩 표면 접촉 및/또는 패시베이션(passivation) 저하에 기인하여 롱 텀 저하(long-term degradation)를 제거하고,
습기 민감도를 제거하여 밀봉 패키지에 대한 요구를 제거하고,
회전 각도를 결정하기 위해 물리적 기계적 멈춤보다는 정전기적 캡쳐를 통하여 고정된 회전 각도를 제공하고,
평평한 상태로의 릴리스 및 복귀에 대해 미러들의 균일한 릴리스 특성을 제공하며,
하나의 전압 변화로 모든 미러들이 평평한 상태로 보내지도록 할 수 있는 "빠르고 명확한"("fast clear) 기능을 가능하게 한다.
도 1은 종래의 히든 힌지 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)에 대한 구조 층들을 도시한 도면(선행 기술).
도 2는 SRAM 메모리 층의 정상 위에 위치하는 종래의 히든 힌지 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)의 구조층들의 집합을 도시한 도면(선행 기술).
도 3은 3개의 미러와 기본적 구조를 도시하는 종래의 히든 힌지 DMD 픽셀들의 어레이의 3차원 절단도(선행 기술).
도 4는 랜딩된 요크 팁들을 가지는 두 개의 기울어진(+/- 10˚) DMD 미러들의 작동을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 새로운 에지 결합된 DMD 미러 구조의 다이아그램.
도 6은 본 발명의 새로운 에지 결합된 DMD 미러 구조의 투시도.
도 7a는 모델에서 사용되는 바와 같이 새로운 에지 결합된 DMD 미러 구조에 대한 전형적인 치수들을 도시한 도면.
도 7b는 새로운 에지 결합된 DMD 미러의 회전 작동을 도시한 도면.
도 8a 및 도 8b는 비접촉 에지 결합된 구조들의 대각선 및 직각의 배열을 도시한 도면.
도 9a는 회전되는 미러의 강한 장 집중 영역에 강한 인력들을 설명하는 새로운 에지 결합된 DMD에 대한 모델링 데이터를 도시한 도면.
도 9b는 도 9a의 강한 장 집중 영역의 확대도를 도시한 도면.
도 10은 새로운 에지 결합된 DMD에 대한 복원 토크(restoring torque)와 미러 토크의 관계를 도시하는 모델링 데이터.
도 11은 미러 어셈블리의 회전과 포획(capture)에 영향을 미치는 벡터 힘들을 설명하는 다이어그램.
도 12a는 본 발명의 비접촉, 에지 결합된 DMD를 사용하는 디지털 프로젝션 디스플레이의 개략도.
도 12b는 본 발명의 비접촉, 에지 결합된 DMD를 사용하는 고휘도 디지털 프로젝션 디스플레이의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 어드레스 패드
2 : 바이어스/리셋 버스
3 : 랜딩 사이트
4 : 어드레스 전극
5 : 전극 지지 포스트
6 : 힌지
7 : 힌지 지지 포스트
8 : 요크
9 : 요크 랜딩 팁
11 : 미러 지지 포스트
20 : 미러
22 : 요크
24 : 캡쳐 전극
26 : 토션 힌지
30 : 광원
33 : 콘덴서 광학 기구
34 : DMD
35 : 프로젝션 렌즈
36 : 프로젝션 스크린
본 발명은 기초를 이루는 디바이스 기판과의 어떤 물리적 접촉 없이 미러 어셈블리의 회전을 멈추게 하기 위해 DMD 미러 또는 요크의 에지에 인가되는 강한 정전기장 영역의 강한 인력들을 사용하고, 결과적으로 종래기술에서 논의된, 고착된미러(stuck mirror)의 접촉의 파괴와 관련된 "고착" 미러("sticking" mirror) 및 문제점들을 제거한다. 이 접근은 주어진 각도에서 믿을 수 있고 예상 가능하게 미러가 회전하는 것을 허용하고, 픽셀들의 어레이에 걸쳐 일관된 반면에 기판 바닥과의 접촉을 피하면서 디지털 작동을 유지한다.
도 5는 본 발명의 새로운 에지 결합된 DMD 미러 구조에 대한 다이어그램이다. 종래의 히든 힌지 DMD들과 마찬가지로, 상기 디바이스는 미러 지지 포스트(21)에 의해 요크(22)에 접착된 미러(20), 미러 어드레스 전극들(23) 및 요크 어드레스 전극들(25)로 구성된다. 그러나, 새로운 캡쳐 전극들(24)은 미러 어드레스 전극들(23)에 패브리케이션(fabrication) 레벨에 추가되어 왔다. 작동시에는, 미러가 요크(22)의 에지와 더해진 캡쳐 전극(24) 사이의 강한 인력의 정전기력에 의해 요구된 각도에 멈출 때까지 미러(20)와 미러 어드레스 전극(23) 사이 및 요크(22)와 요크 어드레스 전극(25) 사이의 정전기장에 의해 유발되는 인력때문에 미러가 회전한다. 이것은 요크(22)가 디바이스 하부의 기판 레벨에 위치하는 솔리드 랜딩 패드와 접촉할 때까지 미러 어셈블리가 회전을 계속하는 종래의 히든 힌지 DMD와는 다르다. 회전 각도는, 종래의 DMD들과 마찬가지로, DMD 구조를 확립하는데 사용되는 유기체의 스페이서 층들(organic spacer layers) 중의 하나의 두께에 의해 간단하게 결정된다. 이 바람직한 실시예에서, 다른 교대의 구조에서는 캡쳐 전극(24)이 미러(20)에 인접하게 위치함에도 불구하고 캡쳐 전극(24)은 요크(22)에 인접하게 도시되어 있다.
도 6은 명확하게 하기 위해 투명하게(점선으로) 도시된 미러(20)를 가지는본 발명의 새로운 에지 결합된 DMD 구조의 투시도이다. 또한 도면에 토션 힌지(26)가 도시되어 있다. 이것은 회전된 미러의 높은 끝단(오른쪽)에 훨씬 낮은 인력에 비교될 때 회전된 미러의 낮은 끝단(왼쪽)에 높은 인력을 나타내고 있으며, 여기서 요크(22) 및 캡쳐 전극(24)은 매우 가까이에 위치한다. 이 인력은 요크 및 캡쳐 전극의 에지들 사이의 커패시턴스 및 거리에 관한 함수이다. 이는 요크 및 캡쳐 전극의 에지 표면의 면적 및 그들 사이의 거리에 매우 의존하며, 상기 거리는 f=1/d2와 같이 제곱으로 관계가 있다. 이 구성에서, 상기 미러는 미러 또는 요크의 에지를 캡쳐 전극(24)에 인접하여 매우 근접하게 위치시키는 직교축을 따라서 회전한다.
도 7a는 새로운 에지 결합된 DMD 미러 구조에 대한 전형적인 치수들을 도시한다. 기명 치수들은 새로운 에지 결합된 테크닉을 잘 수용하며, 종래의 DMD들의 패브리케이션(fabrication)에서 사용되는 전형적인 치수들이다. 또한, 회전하는 미러 구조의 멈춤 동작을 제공하기 위해 요구되는 전형적인 전압들이 도시되어 있다. 이 경우에는, 미러가 멈추도록 요구되는 디바이스의 한쪽 상의 캡쳐 전극(24)이 +5볼트로 바이어스며, 반면에 디바이스의 반대편 쪽 상의 캡쳐 전극은 0볼트로 유지된다. 다음에 도 7b에 도시된 바와 같이, 진폭이 0볼트에서 -10볼트로 그리고 나서 -5볼트로 단계를 이루는 펄스 파형이 미러 어셈블리에 인가된다. 작동시에는, 아래쪽으로의 회전을 저지 또는 멈추게 하기 위해 더 높은 -10볼트가 요구되며, 반면에 안정된 상태에서는 요구된 회전 각도로 미러 어셈블리를 붙잡기 위해더 낮은 -5볼트가 사용된다. 이들은 모델링 데이터에 기초한 전형적인 전압 범위를 나타내며, 이 범위 내에서 최적의 펄스 파형이 결정될 수 있다.
도 7c는 캡쳐 전극(24)에 관련된 미러 어셈블리의 회전 동작을 도시한다. 회전 축은 요크(22)의 중심에 있다. 미러 어셈블리는 요구된 각도로 미러 또는 요크 어드레스 전극들(미도시)이 바이어스 조건들에 의존하여 양 또는 음의 방향으로 회전한다. 요크(22)와 캡쳐 전극(24) 사이에 2μ보다 작은 물리적 틈이 존재하며, 상기 모델은 캡쳐와 어드레스 전극들의 적절한 바이어싱에 따라, 이 간격이 필요한 멈춤 동작을 제공하는 것을 보여준다. 작동시에는, 요크(22)와 캡쳐 전극(24)의 에지들이 서로 매우 가깝게 근접하므로, 둘 사이의 인력들이 힌지 힘에 비해 우위를 차지하며 회전이 멈추게 되어 요구된 각도에서 뾰족한 에지를 따라 강한 장 집중에 의해 유발되는 정전기적 죔 동작에 의해 죄어진다.
도 8a 및 도 8b는 각각 요크/캡쳐 전극 평면에서의 픽셀 구조에 대한 대각선 및 직각의 배열을 도시한다. 두 도면 모두 요크(22), 두개의 미러 어드레스 전극들(23)(회전축의 각 사이드에 하나씩), 두개의 캡쳐 전극들(24)(회전축의 각 사이드에 하나씩), 및 토션 힌지(26)를 포함하는 각각의 설계를 도시한다. 미러(20)는 각각 대각선 및 직각의 미러 배치를 설명하기 위해 (점선으로) 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 더 낮은 기판 평면 상에 위치하는 두개의 요크 어드레스 전극들(25)은 도시되지 않았다. 최대의 멈춤 힘을 제공하기 위해 요크(22)와 캡쳐 전극(24)의 에지를 따라서 전체적인 길이가 미러 어셈블리의 회전 동안에 서로 아주 가까이 근접한다는 것은 중요하다. 결과적으로, 이 비접촉, 에지 결합된 기술은 오직 도 8a의 대각선 배열에 대한 요크 레벨에서의 사용에 제한되지만, 도 8b의 대각선 배열에 대한 요크 및/또는 미러 레벨 모두에 사용될 수도 있다. 대각선 배열에서, 미러의 에지가 캡쳐 전극의 평면에 대해 기울어지므로 이는 사실이다. 대부분의 DMD들은 다양한 히든 힌지를 가지며, 여기서 모든 기초를 이루는 구조는 미러들 사이에 단지 아주 작은 갭을 가지면서, 가능하면 많은 미러 용적 비율(mirror fill factor)을 제공하는 미러들에 의해 덮여지며, 따라서 요크 얼라이먼트를 이용한다.
도 8a의 대각선 배열은 종래의 DMD들과도 사용되는 기존의 암장(dark-field) 프로젝션 광학의 이점을 가질 수 있다. 한편, 도 8b의 대각선 구조는 광학에 대한 다소의 변경을 요구할 것이며, 그러나 요크(22)와 캡쳐 전극(24)의 상호작용의 상대적 영역 또는 양(relative area or volume)이, 도면들에서 예시되는 바와 같이, 상당히 증가하여 결과적으로 향상된 토크 및 멈춤 능력을 가지는 이점을 제공한다.
도 9a는 미러의 다른 사이드 상의 캡쳐 전극의 영역 주위의 더 약한 인력과 비교될 때 회전되는 미러의 강한 장 집중 영역에서의 강한 인력들을 도시하는 새로운 에지 결합된 DMD에 대한 모델링 데이터를 도시한다. 이 모델링 데이터는 요크(22)와 캡쳐 전극(24)이 서로 아주 근접할 때 존재하는 정적 상태를 도시한다. 이 모델링의 결과는 미러/요크 전압이 턴 오프(0 볼트)될 때 상기 미러와 요크 어드레스 전극(23, 25) 각각에 기인하여 미러가 회전을 시작할 것이라는 것을 나타낸다. 이는 미러/요크를 랜딩 패드로부터 느슨하게 하는 것을 막기 위해 고에너지 공진 펄스를 요구하는 종래의 DMD들에 대한 상당한 향상을 나타낸다. 상기 미러가요구된 회전 위치 근처로 편향될 때, 어떤 점에서 회전 힘들과 관련있는 이들 힘들이 미러가 요구된 각도에서 고정되도록 할 때까지, 모델링 데이터의 강한 전기력선에 의해 나타나는 바와 같이, 에지 결합된 용량성의 정전 포텐셜이 형성되고 힘 요소가 수직(회전 토크)으로부터 접선(래칭 토크 : latching torque)으로 움직임에 따라 미러는 속도를 늦추기 시작한다.
도 9b는 상기 캡쳐 전극과 요크 주위의 강한 장 집중 영역의 확대도를 도시한다. 이것이 미러 어셈블리가 정적 상태에서 마침내 요구된 각도에서 멈추게 되는 것을 나타냄에도 불구하고, 운동의 적절한 감쇠를 요구하는 수반된 역학이 존재한다.
도 10은 모델링 데이터에 기반하여 복원 토크(restoring torque)와 미러 토크의 관계를 도시하는 플롯(plot)이다. 이는 요구된 각도, 이 모델에서는 12˚에 대해 미러에 대한 토크가 빨리 역으로 만들어질 수 있다. 결과적으로, 미러 회전이 요구된 편향 각도에서 멈추게 됨에 따라, 적절한 바이어스를 캡쳐 전극에 가하고 미러 펄스 파형을 용도에 맞게 맞춤으로써 미러 회전이 요구된 기울어진 각도에서 멈추도록 만들 수 있으며, 미러에서 최소의 진동을 일으키는 임계감쇠 상태에서 운전될 수 있다.
도 11은 미러 어셈블리의 회전 동작과 그것이 어떻게 캡쳐 전극 부근에서 멈추게 되는지를 설명하는 다이어그램이다. 미러 어셈블리의 회전 및 캡쳐를 발생시키는 다양한 벡터 힘들이 도시되어 있다. 도 11a는 다음과 같은 다양한 정전기력들을 가지면서 0˚ 회전한 미러 어셈블리를 도시하고 있다.
F1은 미러(20)와 미러 어드레스 전극(23) 사이의 힘이고, F2는 요크(22)와 요크 어드레스 전극(25) 사이의 힘이고, F3는 요크(22)와 캡쳐 전극(24) 사이의 힘이다.
도 11b는 다양한 전극들에 인가된 전압 파형들이 미러 어셈블리를 회전하기 시작하도록 할 때의 조건들을, 예를 들어 6˚ 회전한 경우를, 도시하고 있다. 여기서, 힘 F1, F2및 F3는 모두 미러 어셈블리의 운동 상태를 만들기 위한 만큼보다 더 크다.
도 11c는 요구된 각도, 이 예에서는 12˚로 회전된 미러 어셈블리를 도시하고 있다. 이 경우에, 요크(22)와 캡쳐 전극(24) 사이의 매우 강한 접선 방향의 정전기력이 모든 다양한 힘들이 평형을 이루고 있는 상태에서 미러 어셈블리를 캡쳐하여 유지하도록 하고 있다. 실제적으로는 약간의 오버슛(overshoot)이 예상됨에도 불구하고 상기 목적은 과도한 회전이 없도록 임계 감쇠 방식으로 이 상태에 도달하는 것이다.
도 11d는 미러 어셈블리가 약간 부족감쇠하여 요구된 회전 각도를 넘어선 경우를 도시한다. 이 경우에 요크(22)와 캡쳐 전극(24) 사이의 힘 F3는 도시된 바와 같이 수평 벡터 F3x와 수직 벡터 F3y를 만들어 내기 위해 음의 방향으로 회전된다. 도 10에서 일찍이 논의된 바와 같이, 이 반대로의 힘들은 미러 어셈블리가 빨리 방향을 바꾸어 반대 반향으로 가도록 하며, 여기서 다음 조건 즉, F1 + F2 =F3y를 만족할 때 요크(22)는 캡쳐 전극(24)에 의해 캡쳐되어 있다.
마지막으로, 부적절한 시간에 또는 부적절하게 스케일된 인가 전압들 때문에 미러 회전 힘들이 미러를 멈추지 못하게 하는 대변동의 사건의 경우에는, 미러는 그것이 종래의 그리고 비파괴적인 방법으로 착륙할 때까지 계속 회전할 것이라는 것이 지적되어야 한다.
DMD 프로젝션 디스플레이들은 본 발명의 비접촉, 에지 결합된, 히든 힌지 DMD 아키텍쳐에서의 향상, 이름하여 더 높은 성취, 향상된 신뢰성, 더 작은 비용의 면들에서 상당히 이익이 있다. 이는 주로 DMD들의 더 긴 수명 및 장치들을 패키지화하는데 드는 저 비용에 기인한다.
도 12에는 본 발명의 비접촉, 에지 결합된, 히든 힌지 DMD 아키텍쳐의 사용으로부터 이익이 되는 두 가지의 프로젝터들의 실시예들이 도시되어 있다. 도 12a는 광원(30)(light source), 제1 및 제2 콘덴서 광학기구(31, 32), 회전하는 칼라 휠과 모터(33), 본 발명의 DMD(34), 프로젝션 렌즈들(35) 및 프로젝션 스크린(36)을 포함하는 하나의 DMD 실시예의 블록도이다. 이 배열은 DMD를 칼라 장 연속 모드에서 동작시키고, 그것에 따라 칼라 필터 구획된 회전 휠(33)에 의해 적색-녹색-청색의 빛이 백색 광원(31)으로부터 연속적으로 발생되고 DMD(34) 표면 상의 미러들의 어레이에 적용된다. 이 배열은 DMD(34)를 16.7 mSec의 한 개의 TV 필드 시간내에 세 개(적색, 녹색 및 청색)의 필드를 판독하기 위해 높은 속도로, 칼라 필드 당 5.6 mSec로 작동시킨다. 이 타입의 프로젝터들은 전형적으로 회의실 및 홈 극장과 같은 매체 휘도 응용들에 사용된다.
도 12b는 본 발명의 비접촉, 에지 결합된, 히든 힌지 DMD 아키텍쳐를 이용하는 3-DMD 프로젝터의 두 번째 실시예들을 도시한다. 이 실시는 3개의 DMD(34)를 사용하며, 각각 적색, 녹색 및 청색의 주된 칼라들에 전용된다. 이 경우에 필드 시간은 16.7 mSec이고, DMD가 꽤 긴 시간동안 셀에서 전하(charge)를 잡기를 요구한다. 이 실시예에 대한 프로젝터는 백색 광원/반사경(30), 콘덴서 렌즈(32), 완전 내부 반사(TIR) 프리즘(36), 칼라 분배/조합 프리즘(37), 본 발명의 3개의 DMD(34), 프로젝션 렌즈(35) 및 프로젝션 스크린(미도시)을 포함한다. 이 타입의 프로젝터들은 전형적으로 커다란 컨벤션 센터나 영화관 등과 같은 고휘도 응용에서 사용된다.
종래의 히든 힌지 DMD 구조들에 대한 이 접근법의 이점들은 다음을 포함한다.
1. 우선적으로 종래의 히든 힌지 아키텍쳐를 사용하는 제조 및 DMD 어드레싱 모두를 허용하고, 회전 각도를 정의하기 위해 미러 또는 요크를 랜딩시키는 것을 피한다.
2. 요구된 회전 각도에 픽셀을 중심에 두기 위한 포텐셜 웰 방법에 연결된 용량적으로 결합된 에지의 도입을 통하여 회전각도 근처에서의 DMD의 운동을 제한하는 방법 및 아키텍쳐를 제공한다.
3. 경화성 랜딩 표면과 접촉하지 않음으로 발생할 수 있는 DMD 미러에 대한 회전 진동을 감쇠시키기 위한 방법을 본질적으로 제공한다.
4. DMD 표면의 패시베이션에 대한 필요를 제거한다.
5. "고착된" 미러("stuck" mirror)를 자유롭게 하기 위한 공진 리셋 펄스에 대한 필요를 제거한다.
6. 습기 내용물에 영향을 받지 않아, DMD에 대한 밀봉 패키지들에 대한 필요를 제거하고, 이에 따라 제조 공정을 단순화할 수 있다.
7. 여전히 정전기적 또는 부적절한 시간 또는 부적절하게 스캐일된 인가전압으로부터 장치에 대한 과도한 스트레스의 경우에 있어서 비파괴적 랜딩 방법을 제공한다.
8. 종래의 DMD들에서 일어날 수 있는 바와 같이, 랜딩된 팁(tip)과 미러의 지주(fulcrum) 사이의 토크에 기인하여 미러에 대한 뒤틀림(distortion)을 피한다.
9. 비동기 어드레싱을 허용하는 래칭 메카니즘(latching mechanism)을 제공한다.
이들 이점들은 다음과 같은 비접촉, 에지 결합된 히든 힌지 DMD의 주요한 장점들을 낳는다.
1. DMD 픽셀 아키텍쳐들과 접촉하거나 또는 이들을 랜딩하는 것에 기인하여 고착(sticking)을 제거한다.
2. 제조 공정 동안에 랜딩 표면들의 패시베이션에 대한 필요를 제거한다.
3. 랜딩 표면 접촉 및/또는 패시베이션 저하에 기인한 롱 텀 저하(long-term degradation)를 제거한다.
4. 습기 민감도를 제거하여 밀봉 패키지에 대한 필요를 제거한다.
5. 역학적 수단보다는 정전기적 수단을 통하여 고정된 회전 각도를 제공한다.
6. 미러의 릴리스에 대한 더 균일한 반응을 제공한다.
7. 장치 바이어스를 온/오프함으로써 더 빠른 명확한 기능을 제공한다.
8. 반대의 것(contrast)을 파괴하는 경향이 있는 DMD 하부 구조로부터 광 산란 효과를 감소하기 위해 패시베이션되는 암 금속(dark metal)으로부터 기본적 구조가 만들어질 수 있다.
본 발명이 두 개의 바람직한 실시예들, 즉 i) 요크의 에지 래칭(latching) 및 ii) 미러의 래칭의 문맥에 기술되어 있는 반면에, 본 발명이 많은 방법으로 변경될 수 있으며 특히 상기에서 설명되고 묘사된 실시예들과 다른 실시예들을 가정할 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 사상과 범위 내에 속하는 모든 발명의 변형들을 포함하는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다.

Claims (9)

  1. 기판;
    요크, 미러, 및 상기 요크와 미러를 연결하는 미러 지지 포스트를 포함하고, 상기 기판에 의해 지지되는 미러 어셈블리;
    상기 기판 안에 제조된 어드레싱 회로;
    상기 어드레싱 회로에 전기적으로 연결되고 상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리를 편향시키도록 동작하는 적어도 2개의 미러 어드레스 전극들;
    상기 어드레싱 회로에 전기적으로 연결되고 상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리를 편향시키도록 동작하는 적어도 2개의 요크 어드레스 전극들; 및
    상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리와의 접촉없이 상기 미러 어셈블리의 편향을 멈추도록 동작하는 적어도 2개의 캡쳐 전극들(capture electrodes)
    을 포함하는 마이크로미러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 어드레스 전극들은
    상기 어드레싱 회로에 전기적으로 연결되고 상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리를 편향시키도록 동작하는 적어도 2개의 미러 어드레스 전극들을 포함하는 마이크로미러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 미러 전극들은
    상기 어드레싱 회로에 전기적으로 연결되고 상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리를 편향시키도록 동작하는 적어도 2개의 요크 어드레스 전극들을 포함하는 마이크로미러.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 어드레스 전극들은
    상기 어드레싱 회로에 전기적으로 연결되고 상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리를 편향시키도록 동작하는 적어도 2개의 미러 어드레스 전극들; 및
    상기 어드레싱 회로에 전기적으로 연결되고 상기 기판에 의해 지지되어, 상기 미러 어셈블리를 편향시키도록 동작하는 적어도 2개의 요크 어드레스 전극들을 포함하는 마이크로미러.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캡쳐 전극은 직류(dc) 레벨로 바이어스되고;
    상기 미러 어셈블리는 펄스 파형으로 바이어스되며;
    상기 미러 어셈블리는 상기 메모리 셀의 바이너리 상태에 의존하여 양 또는 음의 방향으로 기울고,
    상기 미러 어셈블리의 회전은 그것이 상기 캡쳐 전극과 매우 가까이 정렬될때 멈추고,
    상기 미러 어셈블리는 바이어싱 상태들이 변할 때까지 요구된 편향 각도로 래치된 상태로 유지되는 마이크로미러.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미러 어셈블리의 회전 진동은 상기 바이어스 펄스화 파형에 의해 감쇠하는 마이크로미러.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미러 어셈블리의 에지는 상기 미러 어셈블리의 회전을 요구된 각도에서 멈추도록 하기 위해 상기 캡쳐 전극의 에지와 정렬하는 마이크로미러.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 요크의 에지는 상기 미러 어셈블리의 회전을 요구된 각도에서 멈추도록 하기 위해 상기 캡쳐 전극의 에지와 정렬하는 마이크로미러.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 미러의 에지는 상기 미러 어셈블리의 회전을 요구된 각도에서 멈추도록 하기 위해 상기 캡쳐 전극의 에지와 정렬하는 마이크로미러.
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