KR20100126352A - 간섭계 변조기의 측정 및 평가 방법 - Google Patents

간섭계 변조기의 측정 및 평가 방법 Download PDF

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Abstract

간섭계 변조기 혹은 유사한 디바이스를 평가하기 위한 각종 방법이 기재되어 있다. 간섭계 변조기에 대한 측정된 전압은 해당 간섭계 변조기의 변이 전압을 평가하는데 이용될 수 있다. 측정된 전류는 간섭계 변조기의 동적 응답의 지표를 제공하기 위하여 해당 측정된 전류의 적분에 의해 분석될 수 있다. 주파수 분석은 간섭계 변조기의 히스테리시스 창 혹은 간섭계 변조기의 기계적 특성의 지표를 제공하는데 이용될 수 있다. 전기용량은 신호 상관을 통해서 결정될 수 있고, 확산-스펙트럼 분석은 각종 간섭계 변조기 변수의 측정치에 대한 잡음 혹은 간섭의 영향을 최소화하는 데 이용될 수 있다.

Description

간섭계 변조기의 측정 및 평가 방법{METHODS FOR MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION OF INTERFEROMETRIC MODULATORS}
관련 출원에 대한 교차참조
본 출원은 미국 가출원 제61/027,781호(출원일: 2008년 2월 11일), 미국 가출원 제61/101,632호(출원일: 2008년 9월 30일) 및 미국 출원 제12/242,749호(출원일: 2008년 9월 30일)에 대한 우선권을 주장하며, 이들 기초 출원의 개시 내용은 그의 전문이 참조로 본원에 포함된다.
발명의 기술분야
본 발명은 마이크로전자기계 시스템(MEMS: microelectromechanical system) 디바이스 혹은 MEMS 디바이스들의 어레이에서 변이 전압(transition voltage)을 확인 또는 결정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
마이크로전자기계 시스템(MEMS)은 마이크로기계 소자, 작동기 및 전자 기기를 포함한다. 마이크로기계 소자는 기판 및/또는 증착(혹은 침착(deposition); 이하 본 명세서에서는 "증착"이라 표기함)된 재료층의 일부를 에칭해내거나 층들을 추가하여 전기 및 전자기계 장치를 형성하는 증착, 에칭 및/또는 기타 미세기계가공(micromachining) 공정들을 이용하여 형성될 수도 있다. MEMS 장치의 한 유형은 간섭계 변조기(interferometric modulator)라 불린다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 간섭계 변조기 또는 간섭계 광 변조기(interferometric light modulator)라는 용어는 광학적 간섭의 원리를 이용하여 광을 선택적으로 흡수 및/또는 반사하는 장치를 의미한다. 소정의 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 1쌍의 도전판을 포함할 수도 있는데, 상기 1쌍의 도전판 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 전체 또는 부분적으로 투과형 및/또는 반사형일 수도 있고 적절한 전기 신호의 인가 시 상대 운동을 할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 하나의 도전판은 기판에 증착된 고정층을 포함할 수도 있고, 다른 하나의 도전판은 공기 간극(air gap)에 의해 고정층과는 분리된 금속막을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 보다 더 상세히 설명하는 바와 같이, 도전판의 상대적 위치에 의해서 간섭계 변조기에 입사되는 광의 광학적 간섭은 변화될 수 있다. 이러한 장치들의 적용 범위는 광범위하며, 기존의 제품들을 개선시키는 데 있어서, 그리고 아직 개발되지 않은 새로운 제품들을 만들어내는 데 있어서 이러한 유형의 장치 특성들이 사용될 수 있도록 이들 장치의 특징들을 이용 및/또는 변경하는 것은 해당 기술 분야에서 유용할 것이다.
본 발명의 일 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에서 변이 전압을 확인하는 방법이 제공되며, 이 방법은 상기 MEMS 디바이스에 실질적으로 일정한 소스 전류(source current)를 인가하는 단계; 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 측정된 전압의 변화 속도를 결정하는 단계; 및 측정된 전압의 변화 속도의 불연속점(discontinuity)을 확인하는 단계를 포함하되, 상기 불연속점이 일어나는 전압은 상기 MEMS 디바이스의 변이 전압에 상당한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에서 변이 전압을 확인하는 방법이 제공되며, 이 방법은 상기 MEMS 디바이스에 실질적으로 일정한 소스 전류를 인가하는 단계; 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 및 측정된 전압에서 변이 기간의 개시부 혹은 종결부를 확인하는 단계를 포함하되, 상기 변이 기간이 개시되거나 종결되는 전압은 상기 MEMS 디바이스의 변이 전압에 상당한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 간섭계 변조기의 변이 전압을 결정하는 방법이 제공되며, 상기 간섭계 변조기는 이동식 전극, 고정식 전극 및 광학적 적층부(optical stack)를 포함하고, 상기 방법은 상기 간섭계 변조기에 소스 전류를 인가하는 단계; 상기 간섭계 변조기에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 및 측정된 전압의 변화 속도의 불연속점을 확인하는 단계를 포함하되, 상기 불연속점이 생기는 전압은 간섭계 변조기의 변이 전압에 상당한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스; 및 상기 MEMS 디바이스에 소스 전류를 인가하고, 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 측정하며, 측정된 전압의 변화 속도의 불연속점을 확인하고, 측정된 전압에서의 확인된 불연속점에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 변이 전압을 결정하는 회로 소자(circuitry)를 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에 소스 전류를 인가하는 수단; 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 측정하는 수단; 및 측정된 전압의 변화 속도의 확인된 불연속점에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 변이 전압을 결정하는 수단을 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서는, MEMS 디바이스의 변이 전압을 확인하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스를 포함하는 회로(해당 회로는 인가된 전압에 대해 실질적으로 일정한 임피던스를 제공하도록 구성됨)를 제공하는 단계; 상기 회로에 소정 기간 동안 일정한 전압을 인가하는 단계; 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 및 시간의 함수로서의 상기 전압의 측정 결과에 의거해서 변이 전압을 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스들의 어레이의 변이 전압을 확인하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 병렬로 배치된 MEMS 디바이스들의 어레이에 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 구동 전압을 인가하는 단계(여기서, 구동 전압은 MEMS 디바이스들의 어레이와 직렬인 저항을 포함하는 회로를 통해서 인가되고, 해당 MEMS 디바이스들의 어레이와 직렬인 저항은 상기 MEMS 디바이스들의 어레이의 저항보다 실질적으로 큼); 상기 MEMS 디바이스들의 어레이에 대한 결과 전압(resultant voltage)을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 및 상기 어레이 내의 상기 MEMS 디바이스들의 제1상태로부터 제2상태로의 변이 동안 상기 결과 전압이 소정 기간 실질적으로 일정하게 유지되는 변이 전압을 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스들의 변이 전압을 결정하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 인가된 전압에 대해 실질적으로 일정한 임피던스를 제공하도록 구성된 회로를 이용해서 상기 MEMS 디바이스에 실질적으로 정사각형 파형을 포함하는 구동 전압을 인가하는 단계; 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 및 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압이 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 적어도 제1변이 전압을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스를 포함하는 회로(여기서, 상기 회로는 인가된 전압에 대해서 실질적으로 일정한 임피던스를 제공하도록 구성됨); 및 상기 MEMS 디바이스에 소정 기간 동안 일정한 전압을 인가하고, 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하고, 시간의 함수로서의 상기 전압의 측정결과에 의거해서 변이 전압을 확인하도록 구성된 회로 소자를 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서는, 인가된 전압에 대해서 일정한 임피던스를 유지하는 수단; 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에 전압을 인가하는 수단(여기서, 상기 전압은 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지됨); 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 측정하는 수단; 및 측정된 전압에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 변이 전압을 확인하는 수단을 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 거동을 평가하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 상기 MEMS 디바이스에 구동 전압을 인가하는 단계(여기서 상기 MEMS 디바이스는 이동식 층을 포함함); 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 시간의 함수로서 측정하는 단계; 상기 전류를 소정 기간에 걸쳐서 적산 혹은 적분(integration)하는 단계; 및 적분된 전류에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 동작 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 동적 거동(dynamic behavior)을 평가하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 제1의 기간 동안 MEMS 디바이스에 구동 전압을 인가하는 단계(상기 MEMS 디바이스는 이동식 전극과 고정식 전극을 포함함); 제2의 기간에 걸쳐서 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 시간의 함수로서 측정하는 단계(여기서 제2의 기간은 상기 제1의 기간의 적어도 일부를 포함함); 및 상기 전류의 적분에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 동적 거동을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 이동식 층 상에 작용하는 댐핑력(damping force)을 결정하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 상기 MEMS 디바이스에 구동 전압 신호를 인가하는 단계(여기서, 상기 MEMS 디바이스는 이동식 층을 포함하고, 상기 구동 전압은 상기 이동식 층을 이동시키는 것임); 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 시간의 함수로서 측정하는 단계; 상기 전류를 소정 기간에 걸쳐서 적분하는 단계; 및 적분된 전류에 의거해서 이동식 층에 작용하는 댐핑력을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 이동식 층을 포함하는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스; 및 상기 MEMS 디바이스에 구동 전압 신호를 인가해서 상기 이동식 층의 움직임을 유도하고, 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 시간의 함수로서 측정하며, 상기 전류를 소정 기간에 걸쳐서 적분하고, 상기 적분된 전류에 의거해서 MEMS 디바이스의 거동 특성을 결정하도록 구성된 회로 소자를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, MEMS 디바이스의 이동식 층의 움직임을 유도하는 수단; 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하는 수단; 상기 전류를 소정 기간에 걸쳐서 적분하는 수단; 및 적분된 전류에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 거동을 평가하는 수단을 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 거동을 평가하는 단계가 제공되며, 해당 방법은 상기 MEMS 디바이스에 사인형상 전압 신호를 인가는 단계(여기서 상기 MEMS 디바이스는 다른 전극과는 떨어져서 이간된 이동식 전극을 포함함); 출력 신호를 측정하는 단계; 상기 출력 신호의 주파수 성분을 확인하는 단계; 및 상기 출력신호의 주파수 성분이 상기 MEMS 디바이스의 비선형 거동을 나타내는지의 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 변이 전압을 확인하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 상기 MEMS 디바이스에 복수개의 사인형상 전압 신호를 연속적으로 인가하는 단계(여기서 상기 복수개의 사인형상 전압 신호의 각각이 미치는 전압 범위는 서로 상이함); 상기 복수개의 사인형상 전압 신호의 각각에 응답하여 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전류의 주파수 성분을 확인하는 단계; 및 상기 복수개의 전압 신호 중 하나의 범위가 상기 복수개의 전압 신호 중 하나의 인가에 응하여 상기 측정된 전류의 주파수 성분에 의거해서 변이 전압을 포함하는지의 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 이동식 층을 포함하는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스; 및 상기 MEMS 디바이스에 사인형상 전압 신호를 인가하고, 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하여, 해당 측정된 전류의 주파수 성분을 확인하고, 해당 측정된 전류의 주파수 성분이 상기 MEMS 디바이스의 비선형 거동을 나타내는지의 여부를 판정하도록 구성된 회로 소자를 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에 사인형상 전압을 인가하는 수단; 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하는 수단; 측정된 전류의 주파수 성분을 확인하는 수단; 및 해당 측정된 전류의 주파수 성분이 상기 MEMS 디바이스의 비선형 거동을 나타내는지의 여부를 판정하는 수단을 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 이동식 층의 복원력을 결정하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 상기 MEMS 디바이스에 구동 신호를 인가하는 단계(해당 MEMS 디바이스는 이동식 전극과 고정식 전극을 포함하고, 여기서 구동 신호는 상기 고정식 전극에 대해서 상기 이동식 전극의 움직임을 유도함); 상기 이동식 전극의 움직임 동안 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전류의 주파수 성분을 확인하는 단계; 및 상기 측정된 전류의 주파수 성분을 이용해서 상기 이동식 전극에 작용하는 복원력을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 이동식 층을 포함하는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 기계적 특성을 평가하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 저압 환경 중에 상기 MEMS 디바이스를 배치하는 단계; 상기 MEMS 디바이스에 구동 신호를 인가하여 상기 이동식 층의 움직임을 유도하는 단계; 상기 이동식 층의 움직임 동안 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하는 단계; 및 상기 이동식 층이 발진하는 주파수를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 이동식 층을 포함하는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스; 및 상기 MEMS 디바이스에 구동 신호를 인가하여 상기 이동식 층의 움직임을 유도하고, 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하며, 상기 이동식 층이 발진하는 주파수를 결정하고, 상기 이동식 층에 작용하는 복원력을 결정하도록 구성된 회로 소자를 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 이동식 층의 움직임을 유발하는 수단; 상기 MEMS 디바이스를 통과하는 전류를 측정하는 수단; 상기 이동식 층이 발진하는 주파수를 결정하는 수단: 및 상기 이동식 층에 작용하는 복원력을 결정하는 수단을 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서는, 복수개의 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스를 포함하는 디스플레이(여기서 상기 MEMS 디바이스는 각각 이동식 전극과 고정식 전극을 포함함); 상기 MEMS-기반 디스플레이를 구동하도록 구성된 드라이버 회로 소자; 및 상기 복수개의 MEMS 디바이스 중 적어도 하나에 구동 신호를 인가하며(여기서 상기 구동 신호는 상기 고정식 전극에 대해서 상기 이동식 전극의 이동을 유발함), 상기 복수개의 MEMS 디바이스 중 적어도 하나를 통과하는 전류를 측정하고, 상기 이동식 층이 발진하는 주파수를 결정하며, 상기 이동식 층에 작용하는 복원력을 결정하도록 구성된 모니터링 회로 소자를 포함하는 디스플레이 모듈이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 하나 이상의 전기적 특성을 측정하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 상기 MEMS 디바이스에 제1신호를 인가하는 단계(여기서 제1신호는 주기적인 전기 자극을 포함함); 상기 MEMS 디바이스의 출력 신호를 측정하는 단계; 및 상기 출력신호와 제2신호를 결합하여 상기 MEMS 디바이스의 하나 이상의 전기적 특성을 나타내는 결과 신호를 얻는 단계(여기서 상기 제2신호는 상기 제1신호와 직교함)를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스; 및 상기 MEMS 디바이스에 주기적 전기 자극을 인가하고, 상기 MEMS 디바이스의 출력 신호를 측정하며, 상기 제1신호와 직교하는 제2신호를 상기 출력 신호와 결합하여 결과 신호를 얻도록 구성된 회로 소자(여기서, 상기 결과 신호는 상기 MEMS 디바이스의 하나 이상의 전기적 특성을 나타냄)를 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에 주기적 전기 자극을 인가하는 수단; 상기 MEMS 디바이스의 출력 신호를 측정하는 수단; 및 상기 제1신호와 직교하는 제2신호를 상기 출력 신호와 결합하여 결과 신호를 얻는 수단(여기서 상기 결과 신호는 상기 MEMS 디바이스의 하나 이상의 전기적 특성을 나타냄)을 포함하는 디바이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서는, 복수개의 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스를 포함하는 디스플레이(여기서 상기 MEMS 디바이스는 이동식 전극과 고정식 전극을 포함함); MEMS-기반 디스플레이를 구동하도록 구성된 드라이버 회로 소자; 및 상기 MEMS 디바이스 중 적어도 하나에 구동 신호를 인가하며(여기서 상기 구동 신호는 주기적 전기 신호를 포함함), 상기 MEMS 디바이스 중 적어도 하나를 통과하는 전류를 측정하고, 상기 측정된 전류를 제2신호와 상관시켜 결과 신호를 얻도록 구성된 모니터링 회로 소자(여기서, 상기 결과 신호는 상기 MEMS 디바이스의 하나 이상의 전기적 특성을 나타냄)를 포함하는 디스플레이 모듈이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 전기적 특성을 측정하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 초기 신호를 추가의 신호를 이용해서 변조하여 입력 신호를 생성하는 단계(여기서 추가의 신호는 랜덤 신호 혹은 의사-랜덤 신호(pseudo-random signal)를 포함함); 상기 MEMS 디바이스에 입력 신호를 인가하는 단계; 상기 MEMS 디바이스의 출력 신호를 측정하는 단계; 상기 출력 신호를 복조해서 결과 신호를 얻는 단계(여기서, 결과 신호는 상기 초기 신호에 대한 상기 MEMS 디바이스의 응답을 나타냄); 및 상기 결과 신호에 적어도 부분적으로 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 전기적 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 측정된 신호 특성에 대한 간섭 효과를 저감시키는 방법이 제공되며, 해당 방법은 변조 신호를 이용해서 입력 신호를 변조시켜 변조된 입력 신호를 생성시키는 단계(여기서, 변조 신호는 상당한 양의 랜덤도(randomness)를 포함함); 해당 변조된 입력 신호를 상기 MEMS 디바이스에 인가하는 단계; 상기 MEMS 디바이스의 출력 신호를 측정하는 단계 및 상기 출력 신호를 복조하여 결과 신호를 얻는 단계(여기서, 결과 신호는 상기 입력 신호에 대한 상기 MEMS 디바이스의 응답을 나타냄)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 간섭계 변조기의 전기용량(capacitance)을 결정하는 방법이 제공되며, 해당 방법은 변조 신호를 이용해서 입력 전압 신호를 변조시켜 변조된 입력 신호를 얻는 단계(상기 변조 신호는 랜덤 혹은 의사-랜덤 신호를 포함함); 상기 변조된 입력 신호를 상기 간섭계 변조기에 인가하는 단계; 상기 간섭계 변조기를 통해 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전류를 교정 신호를 이용해서 복조시켜 결과 신호를 얻는 단계(여기서, 상기 교정 신호는 상기 변조 신호의 시간-기반 적분치(time-based integral)를 포함함); 및 상기 결과 신호의 적어도 일부에 의거해서 상기 간섭계 변조기의 전기용량을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서는, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스; 및 상기 MEMS 디바이스에 변조된 구동 신호를 인가하고(이때, 변조된 구동 신호는 높은 양의 랜덤도를 지닌 변조 신호를 이용해서 초기 구동 신호를 변조시킴으로써 생성된 것임), 상기 MEMS 디바이스의 출력 신호를 측정하며, 상기 출력 신호를 복조시켜 상기 초기 구동 신호에 대한 상기 MEMS 디바이스의 응답을 나타내는 결과 신호를 얻도록 구성된 회로 소자를 포함하는 디바이스가 제공된다.
도 1은 제1간섭계 변조기의 이동식 반사층이 이완 위치에 있고, 제2간섭계 변조기의 이동식 반사층이 작동 위치에 있는 간섭계 변조기 디스플레이의 일 실시형태의 일부를 나타낸 등각 투상도;
도 2는 3×3 간섭계 변조기 디스플레이를 내장하는 전자 디바이스의 일 실시형태를 예시한 시스템 블록도;
도 3은 도 1의 간섭계 변조기의 예시적인 일 실시형태에 대한 이동식 미러(movable mirror)의 위치 대 인가된 전압을 나타낸 선도;
도 4는 간섭계 변조기 디스플레이를 구동하는 데 사용될 수 있는 한 세트의 행방향 전압(row voltage) 및 열방향 전압(column voltage)을 나타낸 도면;
도 5a는 도 2의 3×3 간섭계 변조기 디스플레이에 있어서의 표시 데이터의 하나의 예시적인 프레임을 예시한 도면;
도 5b는 도 5a의 프레임을 기록하는(write) 데 이용될 수 있는 행방향 신호 및 열방향 신호의 하나의 예시적인 타이밍 선도를 나타낸 도면;
도 6a 및 도 6b는 복수개의 간섭계 변조기를 포함하는 비쥬얼 디스플레이 디바이스(visual display device)의 일 실시형태를 나타낸 시스템 블록도;
도 7a는 도 1의 디바이스의 단면도;
도 7b는 간섭계 변조기의 대안적인 실시형태의 단면도;
도 7c는 간섭계 변조기의 다른 대안적인 실시형태의 단면도;
도 7d는 간섭계 변조기의 또 다른 대안적인 실시형태의 단면도;
도 7e는 간섭계 변조기의 추가의 대안적인 실시형태의 단면도;
도 8a는 간섭계 변조기가 작동되는 변이 기간을 포함하는, 일정한 전류가 간섭계 변조기에 인가될 경우 간섭계 변조기에 대한 전압을 시간의 함수로서 도시한 그래프;
도 8b는 소스 전류의 범위에 대한 도 8a의 변이 기간 동안의 전압 대 시간의 그래프로, 상기 응답의 변동을 소스 전류의 함수로서 나타낸 것임;
도 8c는 특정 소스 전류에 대한 도 8a의 변이 기간 동안의 전압 대 시간의 그래프;
도 9는 도 8a의 전압의 변화속도 대 전압의 그래프;
도 10은 간섭계 변조기 및 저항기와 직렬인 전압원을 포함하는 전기 회로의 개략도;
도 11a는 간섭계 변조기 어레이의 작동 및 이완 동안의 전압 대 전하의 그래프;
도 11b는 적은 수의 간섭계 변조기의 작동 동안의 전압 대 시간의 그래프;
도 12a는 간섭계 변조기에 대한 측정된 전압 및 정사각형 구동 전압의 그래프로, 여기서 구동 파형은 간섭계 변조기의 양의 히스테리시스 창에 걸쳐 있음;
도 12b는 간섭계 변조기에 대한 측정된 전압 및 정사각형 구동 전압의 그래프로, 여기서 구동 파형은 간섭계 변조기의 양의 히스테리시스 창과 음의 히스테리시스 창의 양쪽 모두에 걸쳐 있음;
도 12c는 대안적인 구동 전압이 3개의 별개의 전압에서 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 해당 대안적인 구동 전압의 그래프;
도 13a 내지 도 13c는 간섭계 변조기를 평가하는데 이용될 수 있는 전기 회로의 개략도;
도 14는 간섭계 변조기에 인가된 구동 스텝 신호 및 응답 시의 측정된 전류를 나타낸 그래프;
도 15a는 간섭계 변조기에 인가된 사인형상 구동 신호, 응답 시의 측정된 전류, 및 해당 측정된 전류의 푸리에 변환을 나타낸 그래프로, 여기서 간섭계 변조기의 응답은 고도로 선형임;
도 15b는 간섭계 변조기에 인가된 사인형상 구동 신호, 응답 시의 측정된 전류, 및 해당 측정된 전류의 푸리에 변환을 나타낸 그래프로, 여기서 간섭계 변조기의 응답은 고도로 비선형임;
도 16은 간섭계 변조기 및 저항기와 직렬인 전압원을 포함하는 회로를 나타낸 개략도로, 여기서 간섭계 변조기는 평행판 커패시터(parallel-plate capacitor) 및 스프링으로서 모형화되어 있음;
도 17a는 구동 전압 신호의 시간의 함수로서의 그래프;
도 17b는 도 17a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기의 위치의 시간의 함수로서의 그래프;
도 17c는 도 17a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기에 대한 전하의 시간의 함수로서의 그래프;
도 17d는 도 17a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기를 통과한 전류의 시간의 함수로서의 그래프;
도 17e는 도 17a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기에 대한 전압의 시간의 함수로서의 그래프;
도 18a는 구동 전압 신호의 시간의 함수로서의 그래프로, 여기서 해당 구동 전압 신호는 도 17a의 구동 신호보다 빠른 최대값까지 증가함;
도 18b는 도 18a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기에 대한 전압의 시간의 함수로서의 그래프;
도 18c는 도 18a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기의 위치의 시간의 함수로서의 그래프;
도 18d는 도 18a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기에 대한 전하의 시간의 함수로서의 그래프;
도 18e는 도 18a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기를 통과한 전류의 시간의 함수로서의 그래프;
도 18f는 도 18e의 전류 신호의 푸리에 변환의 그래프;
도 19a는 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기에 대한 전압과 구동 전압 신호의 그래프로, 여기서 커다란 저항기가 간섭계 변조기와 직렬로 배치됨;
도 19b는 도 19a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기의 위치의 시간의 함수로서의 그래프;
도 19c는 도 19a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기에 대한 전하의 시간의 함수로서의 그래프;
도 19d는 도 19a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기를 통과한 전류의 시간의 함수로서의 그래프;
도 19e는 도 19d의 전류 신호의 푸리에 변환의 그래프;
도 20a는 상이한 대기압을 지닌 두 환경에서 작동될 경우의 간섭계 변조기를 통과하는 측정된 전류의 시간의 함수로서의 그래프;
도 20b는 상이한 대기압을 지닌 두 환경에서 해제될 경우의 간섭계 변조기를 통과하는 측정된 전류의 시간의 함수로서의 그래프;
도 21은 간섭계 변조기를 구동하고 평가하는데 이용될 수 있는 전기 회로의 개략도;
도 22a는 공지의 랜덤 변조 신호 혹은 의사-랜덤 변조 신호(pseudo-random modulation signal)를 이용해서 변조되는 경우의 구동 전압의 시간의 함수로서의 그래프;
도 22b는 도 22a의 구동 신호가 인가된 경우 간섭계 변조기를 통과한 측정된 전류의 그래프;
도 22c는 도 21a의 구동 신호가 인가되고 추가적인 잡음(noise)이 도입된 경우의 간섭계 변조기를 통과하는 측정된 전류의 그래프;
도 22d는 변조 신호와 관련된 신호를 이용해서 복조한 후의 도 22b의 전류의 그래프;
도 22e는 변조 신호와 관련된 신호를 이용해서 복조한 후의 도 22c의 전류의 그래프.
이하의 상세한 설명은 본 발명의 소정의 실시형태들에 관한 것이지만, 본 명세서에서의 교시 내용은 다양한 방법들에 적용될 수 있다. 이 설명에서는, 동일한 부분은 동일한 참조 부호로 표기된 도면을 참조하여 설명을 행한다. 각 실시형태는 동화상(예를 들어, 비디오)인지 또는 정지화상(예를 들어, 스틸 이미지(still image))인지, 그리고 문자인지 그림인지의 여부에 따라 화상을 표시하도록 구성되는 장치이면 어떠한 장치에서도 구현될 수 있다. 더욱 상세하게는, 휴대폰, 무선 장치, PDA(personal data assistant), 초소형 또는 휴대용 컴퓨터, GPS 수신기/네비게이션, 카메라, MP3 플레이어, 캠코더, 게임 콘솔(game console), 손목 시계, 시계, 계산기, 텔레비전 모니터, 플랫 패널 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 자동차 디스플레이(예를 들어, 주행 기록계 디스플레이 등), 콕핏 제어기(cockpit control) 및/또는 디스플레이, 카메라 뷰 디스플레이(예를 들어, 차량의 리어 뷰(rear view) 카메라의 디스플레이), 전자 사진, 전자 광고판 또는 간판, 프로젝터, 건축 구조물, 포장물 및 미술 구조물(예를 들어, 보석류에 대한 화상의 디스플레이)을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는 다양한 전자 디바이스들로 구현되거나 또는 그 다양한 전자 디바이스들과 관련될 수 있는 것을 고려할 수 있다. 본 명세서에 기재된 것과 마찬가지 구조체의 MEMS 장치는 또한 전자 전환(즉, 스위칭) 장치 등에서와 같은 디스플레이(즉, 표시장치)가 아닌 용도에도 이용될 수 있다.
간섭계 변조기 및 유사한 MEMS 디바이스의 특성의 정확한 평가는 장래의 디바이스의 설계뿐만 아니라, 이러한 디바이스의 품질 제어 및 적절한 동작을 용이하게 한다. 특히, 디바이스의 전기적 평가는, 광학 측정 장비에 대한 필요성 없이 이러한 디바이스의 측정을 가능하게 하여 테스트 장비의 복잡성을 줄일 수 있다. 소정의 실시형태에서, 이러한 디바이스의 평가는 특정 테스트 회로 소자를 이용해서 행할 수 있는 한편, 다른 실시형태에서, 상기 평가를 수행하는데 이용되는 회로 소자는 디바이스의 구동 회로 소자 내에 통합(즉, 일체화)될 수 있다. 이와 같이, 상기 평가는 구동 회로 소자에 의해 이용되어, 플라이(fly)에 대한 미리 결정된 구동 체계를 개변 혹은 조정할 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기에 대한 전압 측정값은, 변이 전압을 확인함으로써 간섭계 변조기를 평가하기 위하여, 해당 간섭계 변조기를 구동하면서 측정될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기를 통과하는 전류는 간섭계 변조기의 동적 거동의 지표를 제공하도록 동작 동안 측정될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 이것은 측정된 전류를 적분함으로써 혹은 측정된 전류에 대한 주파수 분석을 수행함으로써 행해질 수 있다. 이러한 주파수 분석은 간섭계 변조기의 정적 혹은 동적 기계적 특성을 평가하거나 간섭계 변조기의 히스테리시스 거동에 관한 정보를 제공할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기의 전기용량은 구동 신호를 관련된 신호와 상관시킴으로써 분석될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 확산-스펙트럼 분석(spread-spectrum analysis)이 평가 과정에 대한 잡음 혹은 간섭의 영향을 최소화하기 위하여 이용될 수 있다.
간섭계 MEMS 디스플레이 소자를 포함하는 간섭계 변조기 디스플레이의 일 실시형태가 도 1에 예시되어 있다. 이들 장치에 있어서, 화소들은 명 상태(bright state) 또는 암 상태(dark state)이다. 명("이완된" 또는 "열린") 상태에서, 디스플레이 소자는 입사되는 가시광의 많은 부분을 사용자에게 반사시킨다. 암("작동된" 또는 "닫힌") 상태에 있을 경우, 디스플레이 소자는 입사되는 가시 광선을 사용자에게 거의 반사시키지 않는다. "온" 및 "오프" 상태의 광 반사 특성은, 실시형태에 따라서는 반대로 되어 있을 수도 있다. MEMS 화소들은 선택된 색에서 우선적으로 반사하도록 구성되어 흑색 및 백색에 부가해서 컬러 표시를 가능하게 한다.
도 1은 비쥬얼 디스플레이의 일련의 화소에 있어서 두 개의 인접한 화소들을 나타낸 등각 투상도인 데, 여기서 각 화소는 MEMS 간섭계 변조기를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 간섭계 변조기 디스플레이는 이들 간섭계 변조기의 행/열 어레이를 포함한다. 각각의 간섭계 변조기는 서로 간에 가변적이고 제어 가능한 거리에 위치된 1쌍의 반사층을 포함하여 적어도 하나의 가변 치수를 가진 공진 광학적 간극(resonant optical gap)을 형성한다. 일 실시형태에 있어서, 반사층들 중 하나는 두 위치 사이에서 움직일 수도 있다. 여기서 이완 위치라고도 지칭되는 제1위치에서, 이동식 반사층은 고정된 부분 반사층으로부터 상대적으로 먼 거리에 위치된다. 여기서 작동 위치라고도 지칭되는 제2위치에서, 이동식 반사층은 상기 부분 반사층에 더 가까이 인접하여 위치된다. 이들 두 층에서 반사된 입사광은 이동식 반사층의 위치에 따라서 보강(constructively) 간섭 또는 소멸(destructively) 간섭하여 각 화소에 대해 전체 반사 상태 또는 비반사 상태를 생성한다.
도 1에 있어서 화소 어레이의 도시된 부분은 두 개의 인접한 간섭계 변조기(12a), (12b)를 포함한다. 왼쪽에 위치한 간섭계 변조기(12a)에는 부분 반사층을 포함하는 광학적 적층부(16a)로부터 소정 거리 떨어진 이완 위치에 이동식 반사층(14a)이 예시되어 있다. 오른쪽에 위치한 간섭계 변조기(12b)에는 광학적 적층부(16b)에 인접한 작동 위치에 이동식 반사층(14b)이 예시되어 있다.
여기서 참조 기호로 표시되는 바와 같은 광학적 적층부(16a), (16b)(일괄해서 광학적 적층부(16)라 표기함)는 전형적으로 수 개의 융합층(fused layer)을 포함하는 데, 이들 융합층은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO)과 같은 전극층, 크롬과 같은 부분 반사층, 및 투명 유전체를 포함할 수 있다. 따라서, 광학적 적층부(16)는 전기 전도성이고, 부분적으로 투명하며, 부분적으로 반사성이고, 예를 들어 하나 이상의 상기 층들을 투명한 기판(20) 위에 증착함으로써 제조될 수 있다. 부분적으로 반사성인 층(즉, 부분 반사층)은 각종 금속, 반도체 및 유전체 등과 같이 부분적으로 반사성인 각종 재료로부터 형성될 수 있다. 이 부분 반사층은 하나 이상의 재료의 층으로 형성될 수 있고, 각 층은 단일 재료 혹은 재료들의 조합으로 형성될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 이하에 더욱 설명되는 바와 같이, 광학적 적층체(16)의 층들은 평행 스트립들(strips)로 패턴화되고, 디스플레이 디바이스(즉, 표시장치) 내에서 행방향 전극들을 형성할 수도 있다. 이동식 반사층(14a), (14b)은 기둥부(18) 사이에 증착되는 중재 희생 재료 및 기둥부(18)의 상부면에 증착된 증착 금속층 또는 증착 금속층들(광학적 적층부(16a), (16b)의 행방향 전극에 직교)로 이루어진 일련의 평행 스트립들로서 형성될 수도 있다. 희생 재료를 에칭하여 제거하면, 이동식 반사층(14a), (14b)은 광학적 적층부(16b), (16b)로부터 소정의 간극(19)만큼 분리되게 된다. 알루미늄과 같은 고 전도성·반사성 재료가 반사층(14)에 사용될 수 있고, 이들 스트립들은 디스플레이 디바이스에서 열방향 전극들을 형성할 수도 있다. 단, 도 1은 일정 척도로 그려져 있지 않을 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 기둥부(18)들 간의 간격은 10 내지 100㎛ 정도일 수 있는 한편, 간극(19)은 < 1000Å 정도일 수도 있다.
도 1에 있어서 화소(12a)로 예시된 바와 같이, 전압이 인가되지 않을 경우, 이동식 반사층(14a)이 기계적으로 이완된 상태에서, 간극(19)이 이동식 반사층(14a)과 광학적 적층부(16a) 사이에서 유지된다. 그러나, 선택된 행 및 열에 전위(전압)차가 인가될 경우, 대응하는 화소에서 행방향 전극과 열방향 전극의 교차점에 형성된 커패시터는 충전되고, 정전기력은 전극들을 함께 당긴다. 전압이 충분히 높다면, 이동식 반사층(14)은 변형이 일어나 광학적 적층부(16)에 대해서 힘을 가한다. 도 1의 오른쪽에 작동 화소(12b)로 표시된 바와 같이, 광학적 적층부(16) 내의 유전체 층(이 도면에서는 도시 생략)은 단락이 방지되어 층(14)과 층(16) 간의 이격 거리를 조절한다. 이러한 거동은 인가된 전위차의 극성에 상관없이 동일하다.
도 2 내지 도 5b는 디스플레이 적용에 있어서 간섭계 변조기들의 어레이를 사용하기 위한 하나의 예시적 과정 및 시스템을 예시한다.
도 2는 간섭계 변조기들을 내장할 수 있는 전자 디바이스의 일 실시형태를 예시한 시스템 블록도이다. 해당 전자 디바이스는 프로세서(21)를 포함하는 데, 이 프로세서는 ARM(등록상표), 펜티엄(Pentium)(등록상표), 8051, MIPS(등록상표), Power PC(등록상표), ALPHA(등록상표)와 같은 범용 단일 칩 프로세서 또는 멀티 칩 마이크로 프로세서, 또는 디지털 신호 프로세서, 마이크로제어기와 같은 소정의 특수 목적의 마이크로프로세서, 또는 프로그래밍가능한 게이트 어레이일 수도 있다. 당업계에 있어서 통상적인 바와 같이, 상기 프로세서(21)는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 실행하도록 구성될 수도 있다. 오퍼레이팅 시스템(operating system)의 실행과 더불어, 상기 프로세서는 웹 브라우저(web browser), 전화 애플리케이션(application), 이메일 프로그램 또는 기타 임의의 소프트웨어 애플리케이션을 비롯한 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 실행하도록 구성될 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 프로세서(21)는 또한 어레이 드라이버(22)와 통신하도록 구성된다. 일 실시형태에 있어서, 어레이 드라이버(22)는 디스플레이 어레이 혹은 패널(30)에 신호를 제공하는 행방향 드라이버 회로(24)와 열방향 드라이버 회로(26)를 포함한다. 도 1에 예시된 어레이의 단면은 도 2의 1-1선에 의해 표시된다. 단, 도 2는 명확화를 위해서 간섭계 변조기의 3×3 어레이를 예시하고 있지만, 디스플레이 어레이(30)는 매우 많은 수의 간섭계 변조기를 포함할 수 있고, 또한 열방향과 행방향에 있어서 상이한 개수의 간섭계 변조기를 구비(예를 들어, 행당 300 화소 × 열당 190 화소)할 수도 있다.
도 3은 도 1의 간섭계 변조기의 예시적인 일 실시형태에 대한 이동식 미러 위치 대 인가된 전압의 선도이다. MEMS 간섭계 변조기에 대해서, 행/열방향 작동 프로토콜은 도 3에 도시된 바와 같은 이들 디바이스의 히스테리시스 특성을 이용할 수도 있다. 간섭계 변조기는, 예를 들어, 이완 상태에서 작동 상태로 이동식 층을 변형시키기 위해 10볼트의 전위차가 필요할 수도 있다. 그러나, 이러한 값으로부터 전압이 감소될 경우, 전압이 10볼트 미만으로 다시 떨어질 때에 이동식 층은 그 상태를 유지한다. 도 3의 예시적 실시형태에 있어서, 전압이 2볼트 미만으로 떨어질 때까지 이동식 층은 완전히 이완되지 않는다. 이와 같이 해서, 도 3에 예시된 예에서 약 3 내지 7V의 전압의 범위가 있고, 여기서, 장치가 이완 또는 작동 상태에서 안정적인 인가 전압의 창이 존재한다. 이것을 여기서는 "히스테리시스 창"(hysteresis window) 또는 "안정성 창"(stability window)이라고 칭한다. 도 3의 히스테리시스 특성을 지니는 디스플레이 어레이에 대해서, 행방향 스트로빙(strobing) 동안 스트로빙된 행에 있는 작동될 화소들이 약 10볼트의 전압차에 노출되고, 이완될 화소들이 0볼트에 근접한 전압차에 노출되도록 행/열방향 작동 프로토콜을 설계할 수 있다. 스트로빙 후에, 화소들은 행방향 스트로빙이 화소들을 어떤 상태에 두었던지 그 상태를 유지하도록 약 5볼트의 정상 상태 혹은 바이어스 전압차에 노출된다. 이러한 예에서, 각 화소는, 기록된 후에, 3 내지 7볼트의 "안정성 창" 내에서 전위차를 보인다. 이러한 특성으로 작동 또는 이완의 기존 상태에서 동일한 인가 전압 조건 하에서 도 1에 예시된 화소 설계가 안정화된다. 간섭계 변조기의 각 화소는 작동 상태인지 혹은 이완 상태인지에 따라 본질적으로 고정식 반사층 및 이동식 반사층에 의해 형성된 커패시터이기 때문에, 이러한 안정한 상태는 전력 손실이 거의 없이 히스테리시스 창 내의 전압에서 유지될 수 있다. 인가된 전위가 고정되어 있다면 화소로 들어가는 전류 흐름은 실질적으로 없다.
이하에 더욱 설명된 바와 같이, 전형적인 응용에 있어서, 화상의 프레임은 제1행의 소망의 세트의 작동 화소에 따라서 열방향 전극의 세트를 가로질러 데이터 신호의 세트(각각은 소정의 전압 레벨을 지님)를 전송함으로써 작성될 수 있다. 이어서, 행방향 펄스는 제1 행방향 전극에 인가되어, 데이터 신호의 세트에 대응하는 화소를 작동시킨다. 데이터 신호의 세트는 이어서 제2행의 소망의 세트의 작동 화소에 대응하도록 변경된다. 다음에, 소정의 펄스가 제2행방향 전극에 인가되어, 데이터 신호에 따라서 제2행의 적절한 화소를 작동시킨다. 화소의 제1행은 제2행방향 펄스에 의해 영향받지 않고, 제1행방향 펄스 동안 설정된 상태로 유지된다. 이것은 프레임을 생성하도록 순차적인 방식으로 일련의 전체적인 행에 대해서 반복될 수 있다. 일반적으로, 프레임은 초당 소정의 원하는 수의 프레임에서 이 과정을 계속해서 반복함으로써 새로운 화상 데이터로 갱신 및/또는 업데이트된다. 화상 프레임을 생성하도록 화소 어레이의 행방향 전극 및 열방향 전극을 구동하기 위한 다양한 프로토콜이 이용될 수 있다.
도 4, 도 5a 및 도 5b는 도 2의 3×3 어레이 위에 표시 프레임을 생성하기 위한 하나의 가능한 작동 프로토콜을 예시한다. 도 4는 도 3의 히스테리시스 곡선을 나타내는 화소를 위해 사용될 수도 있는 가능한 세트의 행방향 전압 레벨들 및 열방향 전압 레벨들을 예시한다. 도 4의 실시형태에서, 화소를 작동시키기 위해서는 적절한 열을 -Vbias로 설정하고 적절한 행을 +ΔV로 설정하는 것이 필요한데, 이들 -Vbias 및 +ΔV는 각각 -5볼트 및 +5볼트에 대응한다. 화소에 대한 볼트 전위차가 0이 되는 동일한 +ΔV로 적절한 행을 설정하고 +Vbias로 적절한 열을 설정함으로써 화소의 이완을 수행한다. 행방향 전압이 0볼트로 유지되는 이들 행에서, 열이 -Vbias이거나 +Vbias인 것에 상관없이, 화소들은 그들의 원래 상태가 어떠하든 안정하다. 도 4에 또한 예시된 바와 같이, 앞서 설명한 것과 반대 극성의 전압이 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 화소를 작동시키는 것은 적절한 열을 +Vbias로 설정하고 적절한 행을 -ΔV로 설정하는 것을 수반할 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 화소에 대한 0볼트 전위차를 생성하는 동일한 -ΔV로 적절한 행을 설정하고 -Vbias로 적절한 열을 설정함으로써 화소의 이완을 수행한다.
도 5b는 도 5a에 예시된 디스플레이 구성으로 되는 도 2의 3×3 어레이에 인가되는 일련의 행방향 신호 및 열방향 신호를 나타낸 타이밍도로서, 여기서 작동 화소들은 비반사형이다. 도 5a에 예시된 프레임을 기록하기에 앞서, 화소들은 임의의 상태에 있을 수 있고, 이 예에서, 모든 행들은 0볼트이고 모든 열들은 +5볼트이다. 이들 인가 전압에 의하면, 화소는 모두 그들의 기존의 작동 또는 이완 상태에서 안정하다.
도 5a의 프레임에서, (1,1), (1,2), (2,2), (3,2) 및 (3,3) 화소들이 작동된다. 이것을 달성하기 위해서, 제1행에 대한 "라인 시간"(line time) 동안 제1열과 제2열은 -5볼트로 설정되고, 제3열은 +5볼트로 설정된다. 이것은 임의의 화소들의 상태를 변화시키지 않는 데, 그 이유는 모든 화소들이 3 내지 7볼트 안정성 창에 유지되기 때문이다. 다음에, 제1행은 0볼트에서 5볼트까지 가고 다시 0볼트로 가는 펄스로 스트로빙된다. 이것은 (1,1) 화소 및 (1,2) 화소를 작동시키고 (1,3) 화소를 이완시킨다. 어레이 내의 다른 화소들은 영향을 받지 않는다. 원하는 바와 같이 제2행을 설정하기 위하여, 제2열을 -5볼트로 설정하고 제1열 및 제3열을 +5볼트로 설정한다. 다음에, 제2행에 인가된 동일한 스트로브(strobe)는 (2,2) 화소를 작동시키고 (2,1) 및 (2,3) 화소를 이완시킬 것이다. 재차, 어레이의 다른 화소들은 영향받지 않는다. 제3행은 제2열 및 제3열을 -5볼트로 설정하고 제1열을 +5볼트로 설정함으로써 마찬가지로 설정된다. 제3행의 스트로브는 도 5a에 도시된 바와 같이 제3행의 화소들을 설정한다. 프레임을 기록한 후에, 행방향 전위들은 0이고 열방향 전위들은 +5볼트 또는 -5볼트로 유지될 수 있게 되어, 디스플레이는 도 5a의 구성에서 안정적이다. 수십 또는 수백 개의 행과 열들을 가진 어레이들에 대해서 동일한 과정을 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또, 행 및 열 작동을 수행시키는 데 사용되는 타이밍, 수순 및 전압 레벨들은 상기의 일반적인 원리 범위 안에서 매우 다양할 수 있고, 상기 예는 다만 예시적인 것에 불과하며, 다른 작동 전압 방법이 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법과 함께 사용될 수 있다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다.
도 6a 및 도 6b는 디스플레이 디바이스(40)의 일 실시형태를 예시한 시스템 블록도이다. 예를 들어, 디스플레이 디바이스(40)는 이동 전화기 또는 휴대 전화기일 수 있다. 그러나, 디스플레이 디바이스(40)의 동일한 구성 요소들 또는 그것의 약간의 변경으로는 또한 텔레비전, 휴대용 미디어 플레이어 등과 같은 다양한 유형의 디스플레이 디바이스를 들 수 있다.
디스플레이 디바이스(40)는 하우징(housing)(41), 디스플레이(30), 안테나(43), 스피커(45), 입력 장치(48) 및 마이크(46)를 포함한다. 일반적으로 하우징(41)은 사출 성형 및 진공 성형을 비롯한 당업자들에게 잘 알려진 다양한 제조 과정들 중의 어떤 것으로 형성된다. 또한, 하우징(41)은 플라스틱, 금속, 유리, 고무 및 세라믹, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 한정되지 않는 다양한 재료 중의 어떤 것으로 만들어질 수도 있다. 일 실시형태에 있어서, 하우징(41)은 다른 색깔을 가지거나 다른 로고, 그림 또는 기호를 포함하는 분리 가능한 부분들과 호환될 수도 있는 분리 가능한 부분(도시 생략)을 포함한다.
예시적인 디스플레이 디바이스(40)의 디스플레이(30)는, 여기에서 설명되는 바와 같이, 쌍안정 디스플레이를 비롯한 다양한 디스플레이들 중의 어떤 것일 수도 있다. 다른 실시형태에 있어서, 디스플레이(30)는 앞서 설명한 바와 같은 플라즈마, EL, OLED, STN LCD 또는 TFT LCD와 같은 평판형 디스플레이, 또는 CRT나 다른 종류의 관(tube) 장치와 같은 비평판형(non-flat-panel) 디스플레이를 포함한다. 그러나, 본 실시형태를 설명할 목적으로, 상기 디스플레이(30)는 여기에서 설명하는 바와 같이 간섭계 변조기 디스플레이를 포함한다.
예시적 디스플레이 디바이스(40)의 일 실시형태의 구성 요소들은 도 6b에 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 예시적 디스플레이 디바이스(40)는 하우징(41)을 포함하고 적어도 그 속에 부분적으로 수용된 추가적인 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, 예시적 디스플레이 디바이스(40)는 트랜스시버(transceiver)(47)에 결합된 안테나(43)를 포함하는 네트워크 인터페이스(27)를 포함한다. 트랜스시버(47)는 컨디셔닝 하드웨어(conditioning hardware)(52)에 연결된 프로세서(21)에 접속된다. 컨디셔닝 하드웨어(52)는 신호를 조절(예를 들어, 신호를 필터링)하도록 구성될 수도 있다. 컨디셔닝 하드웨어(52)는 스피커(45) 및 마이크(46)에 연결된다. 프로세서(21)는 입력 장치(48) 및 드라이버 제어기(29)에도 연결된다. 드라이버 제어기(29)는 프레임 버퍼(frame buffer)(28)에 그리고 어레이 드라이버(22)에 결합되고, 어레이 드라이버(22)는 이어서 디스플레이 어레이(30)에 결합된다. 전력 공급 장치(50)는 특정한 예시적 디스플레이 디바이스(40) 설계에 요구되는 바와 같이 모든 구성 요소들에 전력을 제공한다.
네트워크 인터페이스(27)는 예시적 디스플레이 디바이스(40)가 네트워크를 통하여 하나 이상의 장치와 통신할 수 있도록 안테나(43) 및 트랜스시버(47)를 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 네트워크 인터페이스(27)는 프로세서(21)의 요건을 완화시킬 수 있는 몇몇 처리 능력도 가질 수 있다. 안테나(43)는 신호를 송수신하기 위해, 당업자들에게 알려진 소정의 안테나이다. 일 실시형태에 있어서, 안테나는 IEEE 802.11(a), (b) 또는 (g)를 비롯한 IEEE 802.11 표준에 따라서 RF 신호를 송수신한다. 다른 실시형태에 있어서, 안테나는 블루투스(BLUETOOTH) 표준에 따라서 RF 신호를 송수신한다. 이동 전화기의 경우, 안테나는 CDMA, GSM, AMPS 또는 무선 이동 전화 네트워크 내에서 통신하기 위해 사용되는 기타 공지된 신호를 수신하도록 설계되어 있다. 트랜스시버(47)는 안테나(43)로부터 수신된 신호를 미리 처리하여 이 신호가 프로세서(21)에 의해 수신되고 나아가 조작될 수도 있다. 또, 트랜스시버(47)는 프로세서(21)로부터 수신된 신호도 처리하여 이 신호가 안테나(43)를 거쳐서 예시적 디스플레이 디바이스(40)로부터 송신될 수 있게 한다.
대안적인 실시형태에 있어서, 트랜스시버(47)는 수신기 혹은 송신기로 대체될 수 있다. 또 다른 대안적인 실시형태에 있어서, 네트워크 인터페이스(27)는 프로세서(21)에 전송될 화상 데이터를 저장하거나 생성할 수 있는 이미지 소스(즉, 화상 공급원(image source))로 대체될 수 있다. 예를 들어, 화상 공급원은 화상 데이터를 포함하는 디지털 비디오 디스크(DVD: digital video disc)나 하드 디스크 드라이브, 또는 화상 데이터를 생성하는 소프트웨어 모듈일 수 있다.
프로세서(21)는 일반적으로 예시적 디스플레이 디바이스(40)의 전체적인 동작을 제어한다. 프로세서(21)는 네트워크 인터페이스(27) 또는 화상 공급원으로부터의 압축된 화상 데이터와 같은 데이터를 수신하고, 해당 데이터를 원천 화상 데이터(raw image data)로 또는 원천 화상 데이터로 즉시 처리할 수 있는 포맷으로 처리한다. 그 후, 프로세서(21)는 처리된 데이터를 드라이버 제어기(29)로 또는 저장을 위해 프레임 버퍼(28)로 전송한다. 원천 데이터는 전형적으로 화상 내의 각각의 위치에서 화상 특성들을 식별하는 정보를 의미한다. 예를 들어, 이러한 화상 특성들은 색깔, 채도 혹은 포화도(saturation) 및 계조 레벨(gray-scale level)을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 프로세서(21)는 예시적 디스플레이 디바이스(40)의 동작을 제어하는 마이크로제어기, CPU 또는 논리(로직) 유닛을 포함한다. 컨디셔닝 하드웨어(52)는 일반적으로 신호를 스피커(45)에 송신하기 위해, 그리고 마이크(46)로부터 신호를 수신하기 위해 증폭기들 및 필터들을 포함한다. 컨디셔닝 하드웨어(52)는 예시적 디스플레이 디바이스(40) 내에 있는 별도의 구성 요소일 수도 있거나 프로세서(21) 혹은 기타 구성 요소들 내에 내장되어 있을 수도 있다.
드라이버 제어기(29)는 프로세서(21)에서 생성된 원천 화상 데이터를 프로세서(21)로부터 혹은 프레임 버퍼(28)로부터 직접 취하여 어레이 드라이버(22)로 고속 전송하기 위해 원천 화상 데이터를 적절하게 재포맷한다. 특히, 드라이버 제어기(29)는 원천 화상 데이터를 래스터 유사 포맷(raster like format)을 가진 데이터 흐름으로 재포맷하여 디스플레이 어레이(30)에 걸쳐 스캐닝하기에 적합한 시간 순서를 가진다. 다음에, 드라이버 제어기(29)는 포맷된 정보를 어레이 드라이버(22)에 전송한다. 비록 LCD 제어기와 같은 드라이버 제어기(29)가 자립형 집적 회로(stand-alone Integrated Circuit(IC))로서 시스템 프로세서(21)와 종종 연관되지만, 이러한 제어기들은 다양한 방법들로 구현될 수도 있다. 이들은 프로세서(21) 내에 하드웨어로서 삽입될 수 있거나, 소프트웨어로서 프로세서(21) 내에 삽입될 수도 있거나, 또는 어레이 드라이버(22)와 함께 하드웨어에 완전히 내장될 수도 있다.
전형적으로, 어레이 드라이버(22)는 포맷된 정보를 드라이버 제어기(29)로부터 수신하고 디스플레이의 x-y 매트릭스 화소들로부터 나온 수백, 때로는 수천개의 인출선에 초당 여러 번 인가되는 병렬 세트의 파형들로 비디오 데이터를 재포맷한다.
일 실시형태에 있어서, 드라이버 제어기(29), 어레이 드라이버(22) 및 디스플레이 어레이(30)는 여기서 설명하는 디스플레이들의 유형 중 어느 것에나 적합하다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, 드라이버 제어기(29)는 종래의 디스플레이 제어기 또는 쌍안정 디스플레이 제어기(예를 들어, 간섭계 변조기 제어기)이다. 다른 실시형태에 있어서, 어레이 드라이버(22)는 종래의 드라이버 또는 쌍안정 디스플레이 드라이버(예를 들어, 간섭계 변조기 디스플레이)이다. 일 실시형태에 있어서, 드라이버 제어기(29)는 어레이 드라이버(22)와 일체형이다. 이러한 일 실시형태는 이동 전화기, 시계 및 기타 소형 디스플레이와 같은 고집적 시스템에 있어서 일반적이다. 또 다른 실시형태에 있어서, 디스플레이 어레이(30)는 전형적인 디스플레이 어레이 또는 쌍안정 디스플레이 어레이(예를 들어, 간섭계 변조기들의 어레이를 포함하는 디스플레이)이다.
입력 장치(48)는 사용자로 하여금 예시적 디스플레이 디바이스(40)의 동작을 제어하도록 한다. 일 실시형태에 있어서, 입력 장치(48)는 QWERTY 키보드 또는 전화기 키패드와 같은 키패드, 버튼, 스위치, 터치 센스 스크린, 감압막 또는 감열막을 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 마이크(46)는 예시적 디스플레이 디바이스(40)에 대한 입력 장치이다. 이 장치에 데이터를 입력하기 위해 마이크(46)가 사용되는 경우, 음성 명령들이 사용자에 의해 제공되어 예시적 디스플레이 디바이스(40)의 동작들을 제어할 수도 있다.
전력 공급 장치(50)는 당업계에 잘 알려져 있는 다양한 에너지 저장 장치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, 전력 공급 장치(50)는 니켈-카드뮴 배터리 또는 리튬 이온 배터리와 같은 충전용 배터리이다. 다른 실시형태에 있어서, 전력 공급 장치(50)는 재생 가능 에너지 공급원, 커패시터, 또는 플라스틱 태양 전지, 태양 전지 도료를 비롯한 태양 전지이다. 다른 실시형태에 있어서, 전력 공급 장치(50)는 벽에 붙은 콘센트에서 전력을 받도록 구성된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제어 프로그램은 앞서 설명한 바와 같이 전자 디스플레이 시스템 내의 몇몇 장소에 위치될 수 있는 드라이버 제어기 내에 존재한다. 몇몇 경우에, 제어 프로그램은 어레이 드라이버(22) 내에 존재한다. 앞서 설명된 최적화 조건들은 다수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성 요소들 및 다양한 형태로 구현될 수도 있다.
앞서 설명한 원리들에 따라서 작동되는 간섭계 변조기의 상세한 구조는 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7e(이하 간단히 일괄적으로 "도 7"이라 칭할 경우도 있음)는 이동식 반사층(14) 및 그의 지지 구조체의 5개의 서로 다른 실시형태를 나타낸다. 도 7a는 도 1의 실시형태의 단면도인데, 여기서 금속 재료(14)의 스트립은 직교 방향으로 연장된 지지부(18) 상에 증착된다. 도 7b에 있어서, 각 간섭계 변조기의 이동식 반사층(14)은 정사각형 혹은 직사각형이며, 줄(tether)(32) 상에 단지 모서리에서 지지부에 부착된다. 도 7c에 있어서, 이동식 반사층(14)은 정사각형 혹은 직사각형이며, 가요성 금속을 포함할 수도 있는 변형가능한 층(deformable layer)(34)으로부터 매달려 있다. 이 변형가능한 층(34)은 해당 변형가능한 층(34) 주변의 기판(20)에 직접적으로 혹은 간접적으로 접속된다. 이들 접속부(혹은 연결부)는 여기서는 지지 기둥부로도 칭해진다. 도 7d에 나타낸 실시형태는 변형가능한 층(34)이 안착되는 지지 기둥 플러그(42)를 가진다. 이동식 반사층(14)은 도 7a 내지 도 7c에 있어서와 마찬가지로 간극부 위에 매달린 채 유지되지만, 변형가능한 층(34)은 해당 변형가능한 층(34)과 광학 적층부(16) 사이의 구멍들을 채움으로써 지지 기둥부를 형성하지 않는다. 오히려, 지지 기둥부는 평탄화 재료로 형성되고, 이것은 지지 기둥 플러그(42)를 형성하는 데 이용된다. 도 7e에 나타낸 실시형태는 도 7d에 나타낸 실시형태에 의거한 것이지만, 도 7a 내지 도 7c에 나타낸 실시형태뿐만 아니라 도시하지 않은 추가적인 실시형태의 어느 것과 함께 작용하도록 적합화될 수도 있다. 도 7e에 나타낸 실시형태에 있어서, 금속 또는 기타 전도성 재료의 여분의 층은 버스 구조체(44)를 형성하는 데 이용되어왔다. 이것에 의해 신호가 간섭계 변조기의 이면을 따라 송신될 수 있고, 그렇지 않으면 기판(20) 상에 형성될 수도 있는 다수의 전극을 제거할 수 있다.
도 7에 나타낸 것과 같은 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 직시형(direct-view) 장치로서 기능하는 데, 여기서 화상들은 투명한 기판(20)의 앞면 쪽으로부터 보이고 그 반대편에는 변조기들이 배열되어 있다. 이들 실시형태에 있어서, 반사층(14)은 변형가능한 층(34)을 비롯한, 기판(20)의 반대편의 반사층 쪽에 있는 간섭계 변조기의 일부를 광학적으로 차단한다. 이것에 의해 상기 차단된 영역은 화질에 부정적으로 영향을 미치는 일없이 구성되고 작동될 수 있게 된다. 이러한 차단은 도 7e에서 버스 구조체(44)를 허용하며, 이것은 어드레싱 및 그 어드레싱으로부터 기인하는 이동 등과 같은, 상기 변조기의 전자기계 특성으로부터 해당 변조기의 광학적 특성을 분리시키는 능력을 제공한다. 이 분리가능한 변조기 구조체로 인해 해당 변조기의 광학적 측면들 및 전자기계적 측면들에 대해 사용되는 재질들 및 구조 설계가 선택되어 서로 독립적으로 기능하게 된다. 더욱이, 도 7c 내지 도 7e에 도시된 실시형태는 변형가능한 층(34)에 의해 수행되는, 기계적 특성들로부터 반사층(14)의 광학적 특성들을 분리함으로써 얻어지는 추가적인 장점들을 가진다. 이로 인해 반사층(14)에 사용되는 구조 설계 및 재질들이 광학적 특성에 대해서 최적화되고, 변형가능한 층(34)에 사용되는 구조 설계 및 재질들이 원하는 기계적 특성에 대해서 최적화된다.
간섭계 변조기 기술을 기반으로 하는 것과 같은 디스플레이 디바이스는 전자적으로 및/또는 기계적으로 측정 및 평가될 수 있다. 디스플레이 기술에 따라, 이들 측정은 디스플레이 모듈의 보정의 일부(여기서 지칭되는 디스플레이 "모듈"은 디스플레이 패널, 디스플레이 드라이버, 및 케이블 등과 같은 관련 부품을 포함함)를 형성할 수 있고, 측정 변수는 장래의 사용을 위해 디스플레이 모듈 내의 불휘발성 메모리(예컨대, NVRAM)에 저장될 수 있다.
도 3을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 간섭계 변조기들은 이들에 인가된 전위차에 의거해서 동작한다. 도 3은, 간섭계 변조기들이 그들의 전극 사이에 인가된 전위차의 크기에 따라 이완 상태(혹은 해제 상태(released state)) 혹은 작동 상태에 있는 것을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 하나의 상태에서 다른 상태로의 변화는 안정성(혹은 유지) 창을 지닌 히스테리시스 특성에 따라 일어나며, 여기서 디바이스는 인가된 전위차가 유지 창 내에 있을 경우 그의 현재의 상태를 유지한다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "바이어스 전압"이란 유지 창 내에 들어가는 전위차를 의미한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시형태에서 5개의 입력 전압차 범위가 있다.
이 5개의 입력 전압차 범위의 각각은 간섭계 변조기의 상태에 대한 그의 효과를 반영하는 타이틀을 지닌다. 도 3의 왼쪽으로부터 시작해서, 1) 음의 작동("작동"); 2) 음의 유지("안정성 창"); 3) 해제("이완"); 4) 양의 유지("안정성 창"); 및 5) 양의 작동("작동")이다. 디바이스의 이론적인 이해 및 과거 실험결과에 의거해서, 이들 입력 전압차 범위 간의 역치의 근사치는 공지되어 있을 수 있지만, 간섭계 변조기 어레이를 더욱 최적으로 작동시키기 위하여, 역치 전압은 더욱 정밀하게 측정될 수 있다.
예를 들어, 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 역치는 디바이스에 따라, 로트에 따라, 온도에 대해서 및/또는 디바이스 사용년수에 따라 다를 수 있다. 역치는 따라서 각 제작된 디바이스 혹은 디바이스의 그룹에 대해서 측정될 수 있다. 역치 전압을 측정하는 하나의 방법은 간섭계 변조기의 광학 특성의 관찰을 통해서 해당 간섭계 변조기의 상태를 모니터링하면서 각종 전압치의 입력을 적용하는 것이다. 이것은, 예를 들어, 인간의 관찰을 통해서 혹은 광학 측정 장치의 사용에 의해 달성될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 간섭계 변조기의 상태는 전자 응답 측정을 통해서 모니터링될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전술한 디스플레이 어레이(30)의 어레이 드라이버(22)는 이하에 설명된 방법에 따라서 표시소자의 상태 및/또는 동작 특성을 결정하기 위하여 표시소자의 전기적 응답을 측정하도록 구성될 수 있다.
종종, 디스플레이 디바이스의 거동은 디스플레이 디바이스의 사용년수, 디스플레이의 온도 변화, 표시되고 있는 화상의 컨텐트 등에 따라 변화한다. 디스플레이 디바이스는 혹은 광학 상태와 관련하여 변화하는 하나 이상의 전기적 변수를 지닐 수 있다. 전술한 바와 같이, 간섭계 변조기는 반사층과 광학적 적층부가 이완 상태에서 반사층을 유지하기 위해 기계적 회복력을 극복하기에 충분히 클 경우 작동 상태로 설정된다. 반사층, 광학적 적층부 및 이들 사이의 간극이 유전체에 의해 이간된 두 전도성 기판을 형성하기 때문에, 해당 구조체는 전기용량을 지닌다. 또한, 상기 구조체의 전기용량이 두 기판 사이의 거리에 따라서 변하기 때문에, 해당 구조체의 전기용량은 간섭계 변조기의 상태에 따라서 변화한다. 그러므로, 전기용량의 지표는 간섭계 변조기의 상태를 결정하는데 이용될 수 있다.
이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 간섭계 변조기의 각종 특성을 결정함으로써 간섭계 변조기 혹은 유사한 MEMS 디바이스를 평가하기 위하여 각종 방법이 이용될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 각종 입력에 대한 간섭계 변조기의 응답이, 예를 들어, 전술한 유형의 역치 전압 혹은 간섭계 변조기의 전기용량을 결정하는데 이용될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기의 동적 응답은, 이동식 전극에 작용하는 기계적 복원력 등과 같은, 간섭계 변조기의 기계적 특성을 결정함으로써 평가될 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 이러한 평가는, 제조 과정의 정교화의 일부로서 혹은 품질 제어 척도(measure)로서, 간섭계 변조기의 제작 후 행해질 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 평가는, 소정의 평가가 시간 경과에 따라 혹은 작동 조건의 변화에 응답하여 변하는지의 여부를 결정하기 위하여, 간섭계 변조기의 정상 동작 동안 수행될 수 있다.
전압 측정
소정의 실시형태에 있어서, MEMS 디바이스에 대한 전압은 해당 디바이스를 구동하면서 측정될 수 있고, 소정의 다른 변수의 함수로서의 전압의 기록된 데이터는 변이 전압에 대응하는 전압값을 결정하기 위하여 분석될 수 있다. 이것은 작동이 일어날 경우 광학 측정 기구의 이용 없이도 간섭계 변조기 및 기타 MEMS 디바이스의 특성의 신속하고도 정확한 평가를 용이하게 하여 결정될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 전류 혹은 임피던스의 하나는 데이터의 분석 및 변이 전압의 결정을 용이하게 하기 위하여 테스트 절차 동안 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 실질적으로 일정한 전류가 간섭계 변조기에 인가될 수 있고, 간섭계 변조기에 대한 전압은 변이 전압에 상당하는 불연속점을 확인하기 위하여 분석될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 예를 들어 도 1의 간섭계 변조기(12a)의 상태에 도시된 바와 같이, 업 상태, 이완 상태 혹은 비작동 상태에서 기동된다. 일정한 전류는 간섭계 변조기에 대해 인가되어, 전극들 상에 정전기 전하가 축적됨에 따라 간섭계 변조기에 대한 전압을 점차로 증가시킨다. 일단 충분한 전하가 전극들에 축적되어 간섭계 변조기에 대한 전압을 변이 전압까지 증가시키면, 간섭계 변조기는, 예를 들어 도 1의 간섭계 변조기(12b)의 상태에 도시된 바와 같이, 다운 상태 혹은 작동 상태로 붕괴된다. 소정의 실시형태에 있어서, 이 실질적으로 일정한 전류는 ±20% 이하의 편자를 포함할 수 있지만, 소정의 실시형태에서는, 보다 큰 전류 편차가 이용될 수 있고, 보다 작은 전기 편차는 이러한 과정의 테스트 동안 수행되는 측정 혹은 계산의 정확도를 증가시킬 수 있다.
도 8a는 시간의 함수로서의 이 과정 동안의 전압(V)을 도시하고 있다. 이 전압 측정은, 예를 들어, 시간의 함수로서 전압값을 기록할 수 있는 디지털 오실로스코프 등과 같은 오실로스코프로 수행될 수 있다. 전압(V)의 그래프(100)는 3개의 개별의 영역, 즉 (V)가 작동 전압(Va)보다 작은 경우의 변이전 영역(102), (Δt)의 기간을 지니는 변이 영역(104) 및 전압(V)이 작동 전압(Va)보다 큰 경우의 변이후 영역(106)을 포함하는 것을 알 수 있다. 간섭계 변조기의 작동 전에, 전극들에 대한 전하의 축적은 이동식 전극을 다른 전극을 향하여 이동시킨다. 변이후 영역(106) 내에서, 간섭계 변조기는, 해당 간섭계 변조기가 판들 사이에 유전체층을 지닌 평행판 커패시터로서 작용하므로, 실질적으로 고정판 커패시터로서 실질적으로 거동한다.
간섭계 변조기의 전기용량은, 이와 같이 해서, 전압에 따라 변이전 영역(102)에서 가변적이고, 이것은 이 영역에서 전압 대 시간의 그래프의 약간의 만곡을 해명할 수 있다. 구체적으로는, 변이전 영역(V < Vd)에서의 상기 간섭계 변조기의 전기용량(C)은, C0가 판들 사이의 유전체 층과 공기 캡을 지닌 비변위(이완) 상태에서 평행판 커패시터의 제로 전압 전기 용량에 상당하는 경우, 이하의 수학식 1로 부여된다:
Figure pct00001
변이전 영역(102)에서의 전기용량이 (V)에 따라 서서히 변화하는 것으로 가정하면, 이하의 수학식 2와 같이 전기용량의 변화를 근사시킬 수 있다:
Figure pct00002
이러한 구조에 있어서, Cl은, 인가된 전압이 변이 전압으로부터 멀 경우(예컨대, 작동 전압 훨씬 이하 혹은 해제 전압 훨씬 이상일 경우), 상기 영역에서의 전기용량 변화의 편차 상수에 해당한다. Cl은 전형적으로 매우 작다. Cl/C0 ≪ 1이고, 그리고 소스 전류가 I0로 부여될 경우, 더욱 완전한 전개식(이하의 수학식 3)이 부여된다:
Figure pct00003
변이 영역(104) 내의 거동은 상기 간섭계 변조기의 특성 및 소스 전류의 값(I0)에 따라 변할 것이다. 도 8b는 1㎂와 0.1㎃ 사이의 범위의 복수의 상이한 소스 전류(I0)에 대한 함수로서 복수의 시뮬레이션 전압 측정치를 도시한다. 도 8c는 1㎂와 0.1㎃ 사이의 특정 소스 전류(108b)에 대한 시뮬레이션 전압을 도시하고 있다.
도 8c에 관해서는, 전압이 초기에 영역(107)에서 증가함에 따라, 그 기울기는 간섭계 변조기의 해제 상태의 전기용량을 나타내는 것을 알 수 있다. 이어서, 변이 영역(104b)은, 간섭계 변조기가 작동하기 시작하면 초기 피크에서 시작된다. 간섭계 변조기가 작동함에 따라, 변이 영역(104b) 내의 측정된 전압은 감소한다. 간섭계 변조기의 작동 후, 해당 간섭계 변조기는 이어서 다운 상태에서 선형 커패시터로서 재차 기능하고, 전압은 해당 다운 상태에서 간섭계 변조기의 전기용량을 나타내는 기울기를 지니는 영역(109)에서 증가한다.
도 8b에 관해서는, 전하가 간섭계 변조기의 작동에 비해서 신속하게 해당 간섭계 변조기 상에 축적되므로, 변이 기간의 개시에 대응하는 초기 피크의 높이가 전류의 증가에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 최고로 묘사된 소스 전류에서, 시뮬레이션 전압 측정치(108a)의 피크 전압은 간섭계 변조기의 작동 전압(Va)보다 거의 3볼트 높고, 해당 간섭계 변조기는 측정된 전압이 간섭계 변조기의 작동 전압 이하의 전압으로 되돌아갈 수 있기 전에 작동된다. 인가된 전류가 감소됨에 따라, 작동 속도에 대해 축적된 전하의 속도는 시뮬레이션 전압 측정치(108c)의 초기 피크가 작동 전압(Va)에 접근하는 지점까지 감소한다.
소스 전류(I0)는 간섭계 변조기의 특성뿐만 아니라 테스트 목적을 위한 소망의 응답에 의거해서 선택될 수 있다. 예를 들어, 1㎊의 부하 전기용량을 지닌, 유도 혹은 저항 효과를 무시한 이상적인 간섭계 변조기에 대해서, 1㎂의 일정한 소스 전류는 10㎳ 내에서 10V 범위까지 디바이스를 충전시킬 것이고, 10㎂는 1㎳ 내에서 10V까지 디바이스를 충전시킬 것이다. 따라서, 변이 전압이 확인될 것으로 예상되는 예상 전압 범위 및 소망의 시간 기간에 대해서, 적절한 소스 전류값이 선택될 수 있다. 도 8b에 관해서 설명된 바와 같이, 상기 소스 전류는 또한 변이 전압의 개시 시의 제1피크가 간섭계 변조기의 작동 전압에 상당하도록 선택될 수도 있다.
또한, 변이 기간 동안 측정된 전압은 전기용량의 변화값의 지표를 제공하는데 이용될 수 있다. 소스 전류, 변이 시간 및 변이 전압의 각각이 공지이거나 혹은 측정된 전압으로부터 결정될 수 있기 때문에, 변이 영역에서의 전압 그래프의 형상은 작동 동안 전기용량 변화량의 지표를 제공할 수 있고, 또 전기용량 변화에 대한 예측된 값과 비교될 수 있다.
이러한 평가 방법의 실시형태는, 간섭계 변조기의 상태를 결정하는 광학적 특정 기기에 대한 필요없이(그러나 허용은 가능함) 변이 전압의 확인을 가능하게 하고, 또한 비교적 간단한 테스트 장비를 이용해서 수행될 수 있다. 테스트 과정은 간섭계 변조기의 작동 시간에 비해서 실질적으로 긴 시간에 걸쳐서 수행될 수 있고, 이것은 또한 전류 등과 같은 측정된 변수의 단기간 불연속점의 확인을 필요로 하지 않는다(그러나 확인을 가능하게 할 수는 있다).
유사한 실시형태에서, 이 평가 방법은 병렬로 접속된 간섭계 변조기들의 어레이의 작동 전압을 테스트하는데 이용될 수 있다. 간섭계 변조기들의 어레이를 통과하는 일정 전류를 인가함으로써, 전하가 흐르는 경우 제어할 필요가 없고, 일단 간섭계 변조기의 작동이 시작되면, 하나의 간섭계 변조기의 작동은 전하가 작동 변조기(들)까지 작용함에 따라 동시 작동으로부터 멀리 떨어진 다른 간섭계 변조기들을 구동시킬 것이다. 이것은 비작동 변조기들에 대한 전하를 저감시킬 것이고, 해당 비작동 변조기들의 이동식 층을 고정식 전극으로부터 약간 멀리 이동시킬 수 있다. 그러나, 전체적으로, 간섭계 변조기들의 어레이에 대한 전압은 모든 변조기가 작동될 때까지 어레이 내의 변조기들이 연속해서 작동됨에 따라 실질적으로 일정하게 유지될 것이다. 이와 같이 해서, 간섭계 변조기들의 어레이의 작동 전압은, 전술한 것과 유사한 방식으로, 어레이에 대한 전압의 시간의 함수로서의 분석으로부터 결정될 수 있다.
기록된 데이터의 추가의 분석도 수행될 수 있다. 예를 들어, 시간의 함수로서의 전압값을 기록한 후, 전압의 함수로서의 dV/dt의 분석이 일어나 (Va)에 대한 값을 확인하는데 이용될 수 있다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프(110)는 변이전 영역(112), 변이 영역(114) 및 변이후 영역(116)을 포함한다. 변이 영역(114) 내의 불연속점은 작동 전압(Va)을 확인하는데 이용될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 제어된 임피던스는, 간섭계 변조기에 대한 전압을 측정하면서 해당 간섭계 변조기를 구동하는데 이용될 수 있다. 도 10은 전압원(132), 저항기(134) 및 가변 커패시터로서 기능하는 간섭계 변조기(136)를 포함하는 회로(130)를 개략적으로 도시하고 있다. 특정 실시형태에 있어서, 충분히 큰 상기 회로(130) 내의 저항기(134)의 이용은, 간섭계 변조기의 상태에 관계없이, 간섭계 변조기 및 전압 구동 경로에서 임피던스를 실질적으로 일정하게 유지할 것이다.
일 실시형태에 있어서, 도 10에 도시된 간섭계 변조기(136)는 병렬로 배열된 간섭계 변조기들의 어레이일 수 있다. 도 11a는 이러한 간섭계 변조기들의 어레이에 대한 전압의 전하의 함수로서의 그래프(140)이다. 간섭계 변조기를 붕괴 상태로 구동시키는데 충분한 전압이 전압원(132)을 개재해서 제공될 경우, 간섭계 변조기에 대한 전압은 해당 그래프의 구역(142)에서 볼 수 있는 바와 같이 전하가 축적됨에 따라 증가한다. 일단 작동 전압이 도달하면, 어레이 내의 간섭계 변조기의 하나 이상이 작동하기 시작한다. 전술한 바와 같이, 다수의 간섭계 변조기들의 어레이(예컨대, 100개 이상의 간섭계 변조기 소자)에 대한 전압은, 간섭계 변조기에 대한 전체 전하가 증가하고 간섭계 변조기가 작동하여 다른 비작동 간섭계 변조기로부터 전하를 잡아당김에 따라, 이 작동 기간(144) 동안 실질적으로 일정하게 유지될 것이다. 일단 변조기들의 어레이가 모두 작동되면, 전압은, 그래프의 구역(146)에서 볼 수 있는 바와 같이, 계속 증가한다.
전압이 제거되고, 간섭계 변조기에 대한 전하가 감소하면, 간섭계 변조기들에 대한 전압은, 영역(148)에서 볼 수 있는 바와 같이, 해제 전압이 도달할 때까지 감소한다. 상기 변조기들이 연속해서 해제됨에 따라, 전압은, 영역(150)에서 볼 수 있는 바와 같이, 전하가 감소함에 따라 실질적으로 일정하게 유지된다. 일단 변조기들의 어레잉가 모두 해제되면, 전하가 계속 소산된다.
예컨대, 단지 1개의 간섭계 변조기 또는 10개 혹은 그보다 적은 수의 간섭계 변조기를 지닌 어레이 등과 같이, 어레이 내에 비교적 적은 수의 간섭계 변조기가 있는 실시형태에 있어서, 작동 동안 간섭계 변조기에 대한 전압이 실질적으로 일정하게 유지될 수 없지만, 대신에 작동 후 계속 증가하기 전에 작동 동안 다소 감소할 수 있다. 간섭계 변조기에 대한 전압의 시간의 함수로서의 그래프(160)가 도 11b에 도시되어 있다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압의 증가는, 비작동 간섭계 변조기의 전기용량이 작동된 간섭계 변조기의 전기용량보다 낮음에 따라, 초기에 급격하다. 전압이 다소 감소하는 동안의 작동 기간 후, 전압은 계속 증가한다. 작동 후, 이 증가는, 전기용량이 비작동 상태에서보다 작동 상태에서 더 높기 때문에, 간섭계 변조기가 비작동인 경우보다 덜 급격하다.
도 12a 및 도 12b는 병렬로 구동된 간섭계 변조기들의 커다란 어레이에 걸친 전압의 시간의 함수로서의 그래프이며, 여기서 커다란 저항기가 어레이 내에 직렬로 배치되어 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 저항기는 1㏁의 저항을 지닐 수 있지만, 보다 높거나 낮은 저항을 지닌 저항기도 이용될 수 있고, 다수의 저항기가 목적으로 하는 레벨의 저항을 제공하는데 이용될 수 있다. 도 12a에 있어서, 정사각형 구동 파형(172a)이 간섭계 변조기의 양의 히스테리시스 창과 음의 히스테리시스 창에 걸쳐 있고, 측정된 전압 응답은 신호(174a)로서 도시되어 있다. 도 12b에서, 구동 파형(172b)은 간섭계 변조기의 양의 히스테리시스 창에만 걸쳐 있고, 측정된 전압 응답은 신호(174b)로서 도시되어 있다. 이들 두 경우에 있어서, 도면의 구역(176) 등과 같이 시간 경과에 따른 실질적으로 일정한 전압의 기간은 전술한 바와 같이 변이 전압을 나타낸다.
도 12c는 이러한 실시형태에서 이용될 수 있는 대안적인 구동 신호(178)를 도시하고 있다. 신호(178)는 간섭계 변조기의 양의 작동 전압보다 클 수 있는 상부 전압(179a)과, 간섭계 변조기의 양의 해제 전압과 간섭계 변조기의 음의 해제 전압 사이에 있을 수 있는 바이어스 전압(179b)과, 간섭계 변조기의 음의 작동 전압보다 낮을 수 있는 하부 전압(179c) 간에 교대로 나타난다. 이러한 실시형태에 있어서, 구동 전압은 간섭계 변조기의 양의 히스테리시스 창과 음의 히스테리시스 창의 양쪽에 걸쳐 있을 수 있고, 이것은, 도 12a의 구동 신호(172a)와 대조적으로, 전압이 연장된 기간 동안 바이어스 전압에서 유지되므로, 해제 전압의 확인을 용이하게 할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 바이어스 전압은 실질적으로 제로일 수 있지만, 소정의 적절한 바이어스 전압이 이용될 수도 있다.
전류 측정
다른 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기를 통과하는 전류는 간섭계 변조기의 동적 거동을 평가하기 위하여 측정 및 분석될 수 있다. 간섭계 변조기의 이동식 막 혹은 층이 적절한 자극의 인가 시 이동하므로, 간섭계 변조기의 전기용량은 기타 도전막에 관해서 이동식 막의 위치에 따라 변화하며, 이것은 이들 도전막을 고정시킬 수 있다. 전기용량의 변화는, 비제로 전압이 간섭계 변조기에 대해 인가될 경우 적절하게 채택된 회로를 통과하는 전류의 발생을 초래할 것이다. 시간의 함수로서의 전류가 모니터링되어, 이동식 막의 시간의 함수로서의 위치 등과 같은 정보를 결정하는데 이용될 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 트랜스-임피던스 증폭기가 입력 전류를 해당 입력 전류에 비례하는 전압 출력으로 변환시킴으로써 전류를 측정하는데 이용될 수 있다. 이 전압 신호는 이어서 기록되고, 입력 전류와 전압 출력 간의 관계가 트랜스-임피던스 증폭기의 설계에 의거해서 공지되어 있기 때문에, 시간의 함수로서의 전류는 쉽게 결정될 수 있다. 도 13a, 도 13b 및 도 13c는 이러한 평가 과정에서 이용될 수 있는 각종 회로 설계를 예시하고 있다.
도 13a는 간섭계 변조기(182), 저항기(184a), (184b), (184c) 및 증폭기(186)를 포함하는 회로(180)를 개략적으로 예시하고 있다. 특정 실시형태에 있어서, 저항기(184a), (184b)는 1Ω 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(184c)는 260Ω 저항기를 포함할 수 있으며, 증폭기(186)는 아날로그 디바이스 AD8041 증폭기를 포함할 수 있지만, 기타 적절한 값 혹은 구성요소도 이용될 수 있고, 이것은 간섭계 변조기(182)의 예상된 특성에 의존할 수 있다.
회로(180)는 이득을 지닌 비역전 연산 증폭기로서 기능한다. 간섭계 변조기(182)로부터의 출력은 연산 증폭기(186)의 비반전 입력에 인가된다. 이 회로의 이득은 분압기 피드백 네트워크에 의해 공식화되며, 이것은 Vout = Vin(184B + 184C)/184B에 의해 부여되며, 이때, 184B 및 184C는 각각 저항기(184b), (184c)의 저항이다.
도 13b는 간섭계 변조기(192), 저항기(194a), (194b), (194c), (194d), (194e), (194f), 증폭기(196a), (196b) 및 커패시터(198a), (198b)를 포함하는 대안적인 회로(190)를 개략적으로 예시하고 있다. 특정 실시형태에 있어서, 저항기(194a), (194b)는 27㏀ 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(194c)는 260㏀ 저항기를 포함할 수 있으며, 저항기(194d)는 200㏀ 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(194e)는 1㏀ 저항기를 포함할 수 있으며, 저항기(194f)는 15㏀ 저항기를 포함할 수 있고, 증폭기(196a), (196b)는 아날로그 디바이스 AD8041 증폭기를 포함할 수 있으며, 커패시터(198a)는 8.2㎊ 커패시터를 포함할 수 있고, 커패시터(198b)는 100㎊ 커패시터를 포함할 수 있지만, 다른 적절한 값 혹은 구성요소도 이용될 수 있다.
회로(190)는 2-스테이지 증폭기 회로이고, 여기서 상기 간섭계 변조기는 증폭기(196a)와 접속되어, 적분기 회로의 제1스테이지를 형성한다. 증폭기(196b)를 포함하는 증폭기 회로의 제2스테이지는, 간섭계 변조기(192)에 어떠한 전압도 인가되지 않은 경우에도 (Vout)으로서 도시된 스테이지 2의 출력이 비제로일 것이므로, 정확한 제로 전압점을 설정하기 위하여 전압 오프셋 조정을 허용한다.
도 13c는 간섭계 변조기(202), 저항기(204a) 내지 (204l), 증폭기(206), 커패시터(208), 신호 발생기(210) 및 신호 분석 모듈(212)(예컨대, 오실로스코프 혹은 기타 신호 분석 회로 소자 및/또는 로직)을 포함하는 다른 대안적인 회로(200)를 개략적으로 예시하고 있다. 특정 실시형태에 있어서, 저항기(204a), (204f)는 51Ω 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(204b), (204c)는 680Ω 저항기를 포함할 수 있으며, 저항기(204d), (204l)는 8.2Ω 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(204e)는 1Ω 저항기를 포함할 수 있으며, 저항기(204f)는 51Ω 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(204g), (204i)는 510Ω 저항기를 포함할 수 있으며, 저항기(204h)는 62Ω 저항기를 포함할 수 있고, 저항기(204j)는 68Ω 저항기를 포함할 수 있으며, 저항기(204k)는 620Ω 저항기를 포함할 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 커패시터(208)는 1㎌ 커패시터를 포함할 수 있고, 증폭기(206)는 아날로그 디바이스 AD811 증폭기들을 포함할 수 있다. 기타 적절한 값 및 부품도 이용가능하다.
회로(200)는 2 스테이지 회로로서 기능한다. 제1스테이지(214)는 간섭계 변조기(202)에 신호를 인가하되, 해당 신호는 신호 발생기(210)로부터 인가된 신호 혹은 도 13c에 도시된 (Vdc)에 비례하는 신호를 포함할 수 있다. 제2스테이지(216)는 간섭계 변조기(202)를 통과하는 전류를 측정하는데 이용되는 이득을 지닌 비역전 연산 증폭기를 포함한다.
시간의 함수로서 V(t)로 규정된 공지의 전압 펄스를 인가함으로써, 간섭계 변조기(202)를 통과하는 시간의 함수로서의 전류 I(t)는, 소정의 적절한 측정 장치를 이용해서 측정될 수 있고, 이때 도 13a 내지 도 13c에 관해서 설명된 상기 회로들 중 하나를 이용할 수 있다. 간섭계 변조기에 대한 시간의 함수로서의 전하 Q(t)는 전류를 시간의 함수로서 적분함으로써 결정될 수 있고, 이것은 이하의 수학식 4로 얻어진다:
Figure pct00004
많은 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 댐핑 조건 하에 작동되고, 이때 두 층 사이에 위치된 공기는 간섭계 변조기의 동작에 대한 댐핑 효과를 지닐 것이다. 그러나, 다른 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 실질적으로 진공 중에서 동작될 수 있으므로, 댐핑 효과가 무시가능하다. 간섭계 변조기에 대한 전압이 증가될 경우, 초기 전류는 간섭계 변조기의 초기 상태에 의존한다. 이어서, 간섭계 변조기의 상태 변화 동안, 전류는 간섭계 변조기 디바이스의 상태 변화에 응답해서 변화한다.
도 14는 오실로스코프 상에서 측정된 바와 같은 간섭계 변조기에 대한 구동 전압 신호(222) 및 측정된 전류 응답(224)을 예시한 그래프(220)이다. 신호의 형상을 더욱 잘 예시하기 위하여, 측정된 전류 응답(224)의 수직방향 스케일은 각 수직방향 증분이 구동 신호(222)에 대해서 눈금 당 2V를 나타내는 한편 각 수직방향 증분이 전류 응답(224)에 대해서 눈금당 0.5V를 나타내도록 구동 신호(222)에 대해서 수직방향으로 확장되어 있다. 각 수평방향 증분은 양 신호 모두에 대해서 0.1㎳를 나타낸다. 구동 전압 신호(222)는 계단 함수 전압 변화(step function voltage change)를 포함한다. 구동 전압 신호(222)의 초기 인가는 측정된 전류 응답(224) 내에 신속하고도 강력한 스파이크를 일으킬 수 있다. 간섭계 변조기의 작동은 측정된 전류 응답(224) 내에 제1의 하락부(226)에서 일어난다.
이하에 더욱 설명된 바와 같이, 간섭계 변조기가 이동하기 시작 전의 기간 동안 전류를 적분하는 것은 따라서 간섭계 변조기의 초기 상태의 척도를 부여한다. 또한, 간섭계 변조기가 이동 중인 시간 동안 전류를 적분하는 것은 간섭계 변조기의 동적 기계적 응답의 척도를 부여한다. 또한, 전체 시간 기간 동안 전류를 적분하는 것은 간섭계 변조기의 최종 상태의 척도를 부여한다.
더욱 일반적으로, Q(t)와 I(t) 간에 상기 관계를 부여하면, 간섭계 변조기의 시간의 함수로서의 전기용량은 이하의 수학식 5로 부여된다:
Figure pct00005
이와 같이 해서, 시간의 함수로서 전압을 나눔으로써, 시간의 함수로서의 전기용량이 결정될 수 있다. 이것은 이하의 수학식 6의 관계를 이용해서 상기 막의 위치를 시간의 함수 x(t)로서 계산하는데 이용될 수 있고, 해당 식 중, ε0는 자유 공간의 유전율이고, A는 간섭계 변조기의 면적이며, de는 d/k로서 규정된 것으로, 여기서 d는 유전체층의 높이이고, k는 유전체층의 유전 상수이다:
Figure pct00006
마지막으로, 인가된 신호에 대한 간섭계 변조기의 동적 응답에 관한 상기 정보는 댐핑력을 결정하는데 이용될 수 있고, 이것은 이하의 수학식 7에 의해 부여되며, 여기서 유전체층 혹은 광학 적층부의 상부면에 대한 이동식 층의 위치는 g(t)로 부여되고, 여기서 g(t)는 고정식 전극 위에 놓인 유전체층의 두께(d)를 고려함으로써 고정식 전극에 대한 위치 x(t)에 관한 것이므로, x(t) = g(t) + d이다. 또한, Voffset은 오프셋 전압이고, 만약 있다면, K는 이동식 막의 스프링 상수이며, goff는 오프셋 전압이 인가된 경우 유전체층과 이동식 층 사이의 거리이고, m은 이동식 막의 질량이다:
Figure pct00007
이와 같이 해서, 단지 측정된 전류 I(t) 및 공지된 구동 신호 V(t)뿐만 아니라, 간섭계 변조기의 기타 소정의 공지된 혹은 용이하게 결정가능한 물리적 변수를 이용함으로써, 간섭계 변조기의 동적 특성은 정확하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 시간의 함수로서의 위치는 예컨대 간섭계 변조기의 작동 시간을 결정하는데 이용될 수 있다. 기타 광범위한 변수는 이와 같이 해서 결정될 수 있다.
주파수 분석
다른 실시형태에 있어서, 주파수 분석은, 간섭계 변조기가 입력 전압에 의해 구동될 경우 얻어지는 측정된 전류에 대해 수행될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 도 13b 및 도 13c의 것과 유사한 실험적인 회로 구성은 간섭계 변조기를 구동하여 그 결과 얻어지는 전류를 측정하는데 이용될 수 있지만, 각종 적합한 회로가 이용될 수 있다. 측정된 전류의 분석은 몇몇 실시형태에서 MEMS 디바이스에 대한 변이 전압의 결정을 가능하게 하고, 다른 실시형태에서는 MEMS 디바이스 내의 이동식 층에 작용하는 복원력의 결정을 가능하게 한다.
이상적인 고정식 커패시터는 사인형상 입력에 대하여 직선 응답을 생성할 것이다. 예를 들어 사인형상 전압이 실제의 고정식 커패시터에 인가될 경우, 전하의 시프트에 의해 발생된 결과 전류는 실질적으로 사인형상 신호일 것이다. 이것은, 예를 들어, 패스트 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 전류 신호를 주파수 도메인으로 전환시킴으로써 검증될 수 있다. 응답에서 상당한 고조파 왜곡(harmonic distortion)이 있다면, 상기 고정식 커패시터는 소정의 비선형 방식으로 거동한다. 상기 응답이 다른 주파수에서 약간의 에너지를 지닌 구동 주파수에서 크다면, 상기 고정식 커패시터는 주로 선형 방식으로 작동한다.
히스테리시스 창 내 혹은 부근에 있는 범위를 지니는 사인형상 전압에 의해 구동되는 간섭계 변조기에 대해서, 구동 전압은 전압이 변화함에 따라 이동식 막의 움직임으로 인해 비선형 응답을 생성할 수 있다. 인가된 전압 범위가 유의하게 간섭계 변조기의 히스테리시스 창 이상 혹은 이하인 경우, 간섭계 변조기의 응답은 실질적으로 선형일 수 있다.
도 15a는 적절한 테스트 회로에 접속된 오실로스코프의 출력을 예시한 그래프(230)이며, 이것은 구동 사인형상 전압(232) 및 측정된 전류 응답(234)을 도시하고 있다. 해당 그래프 위쪽에 도시된 것은 오실로스코프에 의해 수행된, 측정된 전류 응답의 FFT(236)이다. FFT(236)가 구동 주파수에서의 커다란 피크(238a) 및 구동 주파수의 제3고조파에서의 비교적 작은 피크(238b)를 포함하는 것을 알 수 있다. 구동 주파수의 고조파에서의 주파수 응답이 커다란 피크(238a)에 비해서 비교적 작거나 실질적으로 존재하지 않으므로, 간섭계 변조기의 응답은 작은 왜곡을 지니는 실질적으로 선형이며, 구동 신호의 전압 범위가 간섭계 변조기의 히스테리시스 범위 밖인 것이 결정될 수 있다.
도 15b는 다른 구동 사인형상 전압(242)이 도 15a에 관해서 이용된 동일한 테스트 회로를 구동하는 데 이용될 경우의 오실로스코프 출력의 그래프(240)로, 이것은 측정된 전류 응답(244)을 나타낸다. 평활한 사인형상을 지니는 도 15a의 전류 응답(234)과 대조적으로, 도 15b의 전류 응답(244)은 유의한 왜곡을 나타낸 것을 알 수 있다. 이 왜곡은 측정된 전류 응답(244)의 계산된 FFT(246)에서 명백하며, 이것은 구동 주파수에서 예상된 피크(248a)를 포함할 뿐만 아니라, 구동 주파수의 고조파의 각각에서 실질적으로 큰 피크(248b), (248c), (248d), (248e), (248f), (248g), (248h)를 포함한다. 이 비선형 응답은 구동 전압의 범위의 적어도 일부가 간섭계 변조기의 히스테리시스 창 내에 있는 것을 나타낸다.
제2 및 제3고조파 피크의 높이는 간섭계 변조기의 전류 응답의 비선형도의 정량화가능한 측정치를 제공한다. 소정의 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기의 히스테리시스 창은 상이한 전압 레벨에서 일련의 사인형상 구동 전압을 인가하고 측정된 전류의 FFT를 수행함으로써 근사화될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 구동 전압의 소정의 고조파에서의 고조파 왜곡이 결정되고, 역치 레벨과 비교될 수 있다. 고조파 왜곡을 역치 레벨과 비교하는 것은 구동 전류의 전압 범위가 간섭계 변조기의 히스테리시스 창 내에 있는지의 여부를 결정하는데 이용될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 측정된 전류의 주파수 분석은 간섭계 변조기의 자연적인 공진 주파수를 결정하는데 이용될 수 있다. 이어서, 이것은 간섭계 변조기의 이동식 층의 복원력을 결정하는데 이용될 수 있다.
그의 동적 거동을 이해하기 위한 1차 근사로서, 간섭계 변조기는 커패시터의 상부 판에 부착된 스프링으로서 모형화될 수 있다. 도 16은 이러한 모델(250)을 개략적으로 예시하고 있으며, 이때, 전압원(252)이 저항기(254) 및 간섭계 변조기(256)에 대해 인가되고, 간섭계 변조기(256)의 이동식 막은 스프링 상수(Ks)를 지닌 스프링(258)에 의해 지지된다. 커패시터의 하부 판으로부터 상부 판까지의 거리는 x로 정의되고, 상부 판과 하부 판 간의 최소 간극을 설정하는 유전체층(도시 생략)의 두께는 d로서 규정되며, 상부 판으로부터 하부 판까지의 최대 거리는 D로서 규정된다. 상부 판의 위치의 함수로서의 힘 F(x)는 전압이 인가된 경우 이하의 방정식인 수학식 8로 부여된다:
Figure pct00008
상기 방정식의 테일러 시리즈가 에너지 평형의 최소치 xmin 부근으로 계산되고 (D-x) 차수까지 단지 항들을 유지할 경우, F(x)에 대한 이하의 수학식 9와 같은 근사식이 얻어진다:
Figure pct00009
주어진 V에 대해서, xmin은 이하의 방정식인 수학식 10으로부터 얻어질 수 있다:
Figure pct00010
F(x)의 상기 근사식을 이용해서, xmin 부근의 상부 판의 작은 진폭의 자연적인 주파수 진동은 이하의 수학식 11로서 정의될 수 있고, 여기서 m은 상부 판의 질량을 나타낸다:
Figure pct00011
상부 판과 하부 판 간의 공동(cavity) 내의 공기(혹은 유체) 댐핑의 부재 시, 상부 판의 이동과 간섭계 변조기에 대한 전하의 방정식 Q(t)는 이하의 두 결합된 차분 방정식(수학식 12 및 13)을 통해 관련될 수 있다:
Figure pct00012
Figure pct00013
t = 0에서 인가된 전압이 없는 비작동 간섭계 변조기에 대해서, 이하의 초기 조건 Q(O) = 0; x(0) = D; 및 x'(0) = 0이 적용될 수 있다. 이하의 도면들과 관련해서 알 수 있는 바와 같이, 전압이 인가되는 속도는 간섭계 변조기의 응답에 영향을 미칠 수 있다.
도 17a는 시간의 함수로서의 구동 전압을 도시하고 있다. 전압은 대략 5㎲에서 0볼트에서 5볼트까지 증가되는 것을 알 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기 시스템은 이하의 근사 변수 D = 2,800Å, k = 4.75, A = 1200㎛2, d = 500Å, m = 1.4 × 10-12㎏ 및 R = 10,000Ω을 지닌다. 도 17a의 구동 전압이 이러한 간섭계 변조기에 인가될 경우, 시간의 함수로서의 위치가 도 17b에 도시된 것으로 되도록 계산되며, 시간의 함수로서의 상기 간섭계 변조기에 대한 전하는 도 17에 도시된 것으로 되도록 계산되고, 시간의 함수로서의 전류는 도 17d에 도시된 것으로 되도록 계산되며, 간섭계 변조기에 대한 전압은 도 17e에 도시된 것으로 되도록 계산된다. 간섭계 변조기에 대한 전압은 인가된 전압과 실질적으로 유사하고 간섭계 변조기는 댐핑의 부재 시에도 상기 수학식 10에 의해 계산된 바와 같이 안정적인 위치 xmim으로 이동되는 것을 알 수 있다. 또한, 간섭계 변조기에 의해 이동되는 거리는 거리 D의 작은 부분뿐이므로 간섭계 변조기가 완전히 작동되지 않는 것도 알 수 있다.
도 18a는 시간의 함수로서의 대안적인 구동 전압을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 전압은 도 17a의 구동 전압과 같은 레벨로 증가되지만, 도 18a의 전압은 보다 짧은 기간, 대략 0.5㎲에서 0볼트에서 5볼트까지 증가한다. 도 18b는 간섭계 변조기에 대한 계산된 전압을 도시하고, 이것은 전술한 바와 같이, 구동 전압과 대체로 동일하다. 도 18c는 시간의 함수로서로서의 계산된 위치를 나타내고, 도 18d는 시간의 함수로서의 계산된 전하를 나타내며, 도 18e는 시간의 함수로서의 계산된 전류를 나타낸다. 전압이 일정하게 유지되더라도, 간섭계 변조기는 xmin의 어느 한쪽 상의 두 위치 사이에서 진동하고 있고, 댐핑의 결여로 인해 이렇게 계속 행해지는 것을 알 수 있다. 도 18f는 전류의 푸리에 변환을 도시하고 있고, 이것으로부터 이 진동의 주파수는 용이하게 결정될 수 있으며, 수학식 11에 의해 예측된 것과 대략 동일하다.
다른 실시형태에 있어서, 저항은 10,000Ω에서 10㏁까지 증가할 수 있다. 도 19a에서, 간섭계 변조기에 대한 구동 전압(260) 및 측정된 전압(262)이 도시되어 있다. 구동 전압은 도 18a의 구동 전압과 유사하지만, 도 19a에서 측정된 전압은 이제 저항의 증가로 인해 구동 전압을 지연시키고, 결과적으로 상기 회로의 RC 시정수(time constant)의 증가를 초래한다. 도 19b는 시간의 함수로서의 계산된 위치를 나타내고, 도 19c는 시간의 함수로서의 전하를 나타내며, 도 19d는 시간의 함수로서의 전류를 나타내고 있다. 평형 상태 xmin 부근에서의 진동에 부가해서, 평형 상태를 향해 초기에 이동함에도 간섭계 변조기는 진동하는 것을 알 수 있다. 도 19e에 도시된 전류의 푸리에 변환은 재차 주파수 f의 결정을 허용한다.
도 20a는 두 별개의 압력에서의 작동 과정 동안 시간의 함수로서 간섭계 변조기를 통과하는 전류를 도시하고 있다. 3 × 10-5 Torr의 압력에서 진공 챔버 내의 간섭계 변조기에 의한 전류 응답은 라인(266a)으로 표시되고, 760 Torr의 압력에서 챔버 내의 간섭계 변조기에 대한 전류 응답은 라인(268a)으로 표시된다. 라인(266a)의 현저한 진동은 간섭계 변조기의 이동식 기계적 요소에 대한 챔버 내의 대기압 공기의 댐핑 효과로 인해 라인(268a)에서 현저하지는 않다. 어느 하나의 측정된 전류의 푸리에 변환을 수행함으로써, 간섭계 변조기의 공진 주파수에 관한 정보가 얻어질 수 있고, 이것은 간섭계 변조기의 이동식 기계적 요소의 복원력을 결정하는데 이용될 수 있다.
도 20b는 두 별개의 압력에서의 작동 위치로부터의 이완 동안 시간의 함수로서 간섭계 변조기를 통과하는 전류를 도시하고 있다. 3 × 10-5 Torr의 압력에 대한 전류 응답은 라인(266b)으로 표시되고, 1기압의 압력에 대한 전류 응답은 라인(268b)으로 표시된다. 도 20a에 관해서 도시된 것과 유사한 방식으로, 라인(266b)의 현저한 진동은 간섭계 변조기의 이동식 기계적 요소에 대한 챔버 내의 대기압 공기의 댐핑 효과로 인해 라인(268b)에서 현저하지는 않다. 어느 하나의 측정된 전류의 푸리에 변환을 수행함으로써, 간섭계 변조기의 공진 주파수에 관한 정보가 얻어질 수 있고, 이것은 간섭계 변조기의 이동식 기계적 요소의 복원력을 결정하는데 이용될 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 상기 분석을 수행하도록 구성된 회로 소자는 간섭계 변조기 디스플레이 혹은 기타 MEMS-기판 디스플레이 모듈 등과 같은 간섭계 변조기의 드라이버 회로 소자와 통합될 수 있다. 이러한 디스플레이 모듈은 간섭계 변조기와 같은 MEMS-기반 디스플레이뿐만 아니라, 전술한 바와 같은 테스트 및/또는 성능 평가 방법을 수행하도록 구성된 테스트 혹은 모니터링 회로 소자 및 드라이버 회로 소자도 포함할 수 있다. 간섭계 변조기의 공진 주파수의 분석은 초기 품질 제어 측정으로서 수행될 수 있고/있거나 간섭계 변조기의 동적 특성의 모니터링의 개시를 위해 이용될 수 있거나, 복원력 및 공진 주파수가 동작 조건의 변화로 인해 시간 경과에 따라 변화할 수 있으므로, 어레이 내 혹은 상이한 간섭계 변조기 어레이 등에 대한 간섭계 변조기 간에 상이할 수 있다. 상기 분석은 테스트 버스트(test burst)를 개재해서 수행될 수 있거나, 혹은 디스플레이 디바이스의 정상 활성화 동안 수행될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 어레이 내의 간섭계 변조기의 하나 혹은 적은 수가 이 방법으로 분석될 수 있다. 전술한 방법에 대한 기타 변경도 수행될 수 있다.
전기용량 측정
다른 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기 혹은 간섭계 변조기 어레이의 전기용량이 측정될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 측정을 행하는데 이용되는 회로 소자는 간섭계 변조기-기반 디스플레이 등과 같은 간섭계 변조기 디바이스의 드라이버 회로 소자 내에 내장될 수 있지만, 이 측정은 기타 적절한 회로 소자를 통해서 행해질 수도 있고, 그 경우 드라이버 회로 소자 내에 통합될 필요는 없다.
하나의 특정 실시형태에 있어서, 사인형상 전압 파형 등과 같은 주기적인 전기 자극이 간섭계 변조기에 대해서 인가된다. 이 신호는 자체로 인가될 수 있거나, 혹은 대안적으로 규칙적인 구동 파형에 부가될 수 있고, 이것은 소정의 실시형태에서는 DC 전압이거나 혹은 기타 다른 적절한 간섭계 변조기 구동 체계일 수 있다. 이 주기적인 사인형상 전압 VIMOD는 다음과 같이 수학식 14로 표현될 수 있다:
Figure pct00014
간섭계 변조기가 가변 커패시터로서 작용하기 때문에, 간섭계 변조기를 통과하는 시간의 함수로서의 전류 I(t)는, 이하의 수학식 15와 같이 정의될 수 있고, 여기서 CIMOD가 간섭계 변조기의 전기용량이고, VIMOD가 간섭계 변조기에 대한 전압인 경우, 이하의 수학식 15와 같이 정의될 수 있다:
Figure pct00015
따라서, 간섭계 변조기에 대해서 상기 주기적인 입력 전압의 인가로부터 기인하는 출력 전류는 이하의 수학식 16과 같이 될 것이다:
Figure pct00016
그 결과의 전류는 주기적이면서, 입력 전압과 동일한 주파수를 지니지만 입력 신호와 90° 위상이 어긋나 있다.
입력 전압과 형상이 닮은 제2신호도 이용된다. 특정 실시형태에 있어서, 상기 제2신호는 또한 출력 전류 신호에서처럼 코사인 항을 포함하므로, 해당 제2신호는 또한 상기 주기적인 입력 전압과 직교한다. 소정의 실시형태에 있어서, 소망의 특성을 지니는 적절한 신호가 명확하게 생성될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 이러한 신호는 입력 신호 자체를 이용해서, 예컨대, 공지의 값을 지니는 기준 커패시터에 대한 주기적인 입력 전압을 인가하고, 기준 커패시터에 대한 해당 결과 출력을 측정하는 등 해서 발생될 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 전압 상관 신호(VCORR)는 이하의 수학식 17로 부여될 수 있다:
Figure pct00017
제2신호는 이어서 간섭계 변조기를 통과하는 측정된 출력 전류와 상관되어 간섭계 변조기의 전기용량를 나타내는 신호를 발생할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 해당 상관은 믹서 회로 혹은 증배기(multiplier)의 사용을 통해서 행해질 수 있고, 특정 실시형태에서, 두 신호는 믹서를 이용해서 증배되지만, 다른 실시형태는 필요에 따라 상이한 연산을 이용할 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 믹서는 공지의 이득(k)을 지니고, 해당 믹서로부터의 전압 출력은 따라서 이하의 수학식 18에 의해 부여된다:
Figure pct00018
입력 전압과 상관 전압 신호가 상기 수학식들에 의해 부여되는 경우, 이상적인 사례에서 믹서로부터의 전압 출력은 이하의 수학식 19에 의해 부여된다:
Figure pct00019
상기 수학식에서, 믹서로부터의 전압 출력은 상수 항과 시간-가변 항을 포함하는 것을 알 수 있다. 믹서로부터의 전압 출력은 시간-가변 항을 줄이거나 제거하기 위하여 필터링될 수 있고, 그 결과 이하의 수학식 20이 얻어질 수 있다:
Figure pct00020
필터로부터의 출력되는 결과 전압은 이와 같이 해서 간섭계 변조기의 전기용량에 비례한다. 상기 수학식에서의 항들의 나머지는 공지되어 있으므로, 간섭계 변조기의 전기용량은 필터로부터 출력되는 전압에 의거해서 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상관 파형이 입력 전압 신호와 직교할 경우, 출력은 측정된 간섭계 변조기가 "누설성"이어서 그의 임피던스에 저항 성분을 지닐 경우에도 전기용량에 비례한다. 상관 신호가 입력 파형과 동일한 형상을 지니는 실시형태에 있어서, 출력은 간섭계 변조기의 임피던스의 저항 성분에 비례한다. 각종 상관 신호를 이용함으로써, 간섭계 변조기 임피던스의 저항 측정치와 반응 측정치의 양쪽 모두가 측정될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 다수의 상관 회로의 사용을 통해서, 간섭계 변조기 임피던스의 저항 성분과 반응 성분이 동시에 측정될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 주기적인 입력 전압은 임의의 구동 신호와 관련하여 인가될 수 있고, 그 측정은, 각종 전압 레벨에서 전기용량 혹은 임피던스를 결정하기 위하여, DC 전압 스위피와 관련하는 등 해서 다수의 DC 전압값에서 수행될 수 있다. 전기용량 등의 간섭계 변조기의 특성은 해당 간섭계 변조기의 상태에 따라 변할 수 있기 때문에, 각종 DC 전압 레벨에 대한 전기용량 측정이 행해질 수 있고, 이것은 이어서 간섭계 변조기의 작동 혹은 해제로 인한 전기용량의 변화를 주지함으로써 변이 전압을 확인하는데 이용될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 입력 전압 및 상관 전압은 사인형상 신호가 아닐 수 있고, 이들로 제한되지 않지만, 정사각형 파 혹은 삼각형 파를 비롯한 기타 유형의 임의의 신호일 수 있다. 특히, 정사각형 파가 이용될 경우, 적절한 믹서가 단지 스위치만을 이용해서 설치되어 회로 설계를 단순화할 수 있다.
도 21은 상관 회로 소자를 드라이버 회로 소자와 통합한 예시적인 회로(270)를 개략적으로 도시하고 있다. 이 회로는, 예를 들어, MEMS-기반 디스플레이 모듈의 일부를 형성할 수 있다. 여기서는 간섭계 변조기 어레이에 관하여 설명되어 있지만, 기타 MEMS 디바이스 및/또는 이들 디바이스의 어레이도 이용될 수 있다. 회로(270)는 간섭계 변조기 어레이(272)를 구동하도록 구성된 드라이버 회로 소자와 함께 간섭계 변조기 어레이(272)를 포함한다. 디지털 로직(274)은 정적(혹은 준-정적) 구동 전압을 간섭계 변조기 어레이에 제공하도록 구성된 디지털-대-아날로그 컨버터(276a), (276b)를 제어한다. 간섭계 변조기의 개별의 행 및 열은 소정의 실시형태에서는 스위치(278a), (278b)를 개재해서 어드레스될 수 있다.
드라이버 회로 소자에 부가해서, 회로(270)는 예를 들어 전술한 방법을 수행하는데 이용될 수 있는 추가의 회로 소자를 포함한다. 전술한 입력 신호와 같은 추가의 신호가 직접 디지털 합성 블록(280a)을 통해서 생성될 수 있고, 해당 블록은 추가의 신호를 생성하는데 이용될 수 있고, 또한 디지털-대-아날로그 컨버터(276c)와 관련하여 이용될 수 있다. 간섭계 변조기를 통과하는 전류는 트랜스-임피던스 증폭기(282)를 통해서 측정될 수 있고, 해당 증폭기는 디지털-대-아날로그 컨버터(276d)와 관련하여 이용될 수 있다. 트랜스-임피던스 증폭기로부터의 출력은 직접 디지털 합성 블록(280b)에 의해 혹은 디지털-대-아날로그 컨버터에 의해 생성된 상관 신호와 믹서(284a)를 통해서 혼합될 수 있다. 전술한 바와 같이, 필터(286a)는 결과 신호의 주기적 부분을 필터링하는데 이용될 수 있고, 아날로그-대-디지털 컨버터(288)는 필터링된 혹은 필터링되지 않은 결과 신호를 디지털화하는데 이용될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 믹서(284b)는 측정된 전류를 예를 들어 입력 신호와 혼합하는데 이용될 수 있고, 필터(286b)는 신호를 필터링하는데 이용될 수 있다.
기타 측정은 또한 믹서(284b)로부터의 출력을 이용해서 행해질 수도 있다. 예를 들어, 상기 전류만큼 증배된 믹서로부터의 출력은 간섭계 변조기에 의해 사용되고 있는 총 전력을 나타내는 값을 산출할 수 있다. 필터(286b)로부터의 출력이 전류만큼 증배되면, 그 결과는 간섭계 변조기 어레이(272)의 하나 혹은 그 이상의 디바이스에 의해 이용되는 평균 전력을 나타내는 값일 수 있다.
실제 혹은 평균 전력을 결정하도록 구성된 측정 회로 소자는, 전력 이용에 관한 이러한 정보의 결정을 제공하기 위하여, 전력 소비가 중요한 디바이스, 특히 모바일 기기 혹은 기타 디바이스에 통합될 수 있다.
잡음 저감
다른 실시형태에 있어서, 확산 스펙트럼 기술이 간섭계 변조기의 전기용량의 측정에 이용될 수 있지만, 이들 기술은 기타 간섭계 변조기 특성의 측정에도 이용될 수 있다. 공지의 입력 변수가 시스템에 인가될 수 있고, 그 결과 얻어지는 출력 신호가 출력 파라미터를 결정하는데 이용될 수 있다. 출력 신호는, 공지의 입력 변수에 의존할 뿐만 아니라, 출력 변수의 측정을 복잡하게 하는, 이 시스템에서 임의의 바람직하지 않은 잡음 혹은 간섭에 의존한다.
전술한 바와 같이, 간섭계 변조기의 전기용량의 측정은 전류의 측정을 통해서 행해질 수 있고, 해당 전기용량은 결과 전류로부터 계산될 수 있다. 얻어진 전기용량은 예를 들어 간섭계 변조기의 히스테리시스 곡선을 결정하는데 이용될 수 있다. 측정된 전류가 잡음 혹은 간섭에 의해 영향받을 수 있으므로, 확산-스펙트럼 기술은 측정된 전류에 대한 이 잡음 혹은 간섭의 영향을 최소화하는데 이용될 수 있다. 측정된 전류를 이용해서 결정된 출력 변수는 이 잡음 혹은 간섭에 의해 영향받아, 결정된 출력 변수를 덜 정확하게 만들기 때문에 바람직스럽지 못하다.
일 실시형태에 있어서, 높은 양의 랜덤도를 지닌 공지된 신호가 간섭계 변조기에 인가된 구동 전압으로 변조된다. 소정의 실시형태에 있어서, 공지된 신호는 공지된 의사-랜덤 신호일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 공지된 신호는 공지된 신호를 얻기 위하여 측정된 순수하게 랜덤한 신호일 수 있다. 도 22a는 간섭계 변조기에 대해 인가될 변조된 구동 전압(290)을 도시하고 있고, 여기서 상기 구동 전압은 공지된 랜덤 혹은 의사-랜덤 신호로 변조된다.
잡음 혹은 간섭이 실질적으로 적거나 없는 이상적인 경우에, 변조된 구동 전압(290)이 간섭계 변조기에 대해서 인가될 경우 해당 간섭계 변조기를 통과하는 결과 전류는 도 22b의 이상적인 결과 전류(292)로 부여될 수 있다. 그러나, 잡음 혹은 간섭이 신호에 영향을 미치는 실시형태에 있어서, 해당 결과 전류는 도 22b의 결과 전류(294)로 부여될 수 있다. 기술된 실시형태에 있어서, DC 전압 및 사인형상 전압 형태의 인공 잡음은 추가의 잡음으로서 이용되어왔다. 상기 결과 전류(294)는 잡음 혹은 간섭으로 인해 이상적인 전류(292)에 관하여 DC 오프셋 및 사인형상을 지니는 것을 알 수 있다. 주어진 실시형태에서의 특정 왜곡은, 잡음 혹은 간섭의 원인에 따라 다양한 방식으로 결과 전압의 형상을 변화시킬 수 있고, 또한 형상과 효과는 더욱 랜덤하게 될 수 있다.
이어서, 상기 결과 전류는 공지의 랜덤 혹은 의사-랜덤 신호의 효과를 제거하도록 복조될 수 있어, 공지의 랜덤 혹은 의사-랜덤 신호로 변조되지 않은 구동 전압을 지니는 출력을 나타내는 변조된 신호를 얻을 수 있다. 상기 구동 전압을 변조시키는데 이용되는 랜덤 혹은 의사-랜덤 변조 신호는 공지이기 때문에, 설계나 측정에 따라, 복조 신호가 변조에 의거해서 결정될 수 있고, 이것은 변조 신호의 효과를 제거하는데 이용될 수 있다. 이 경우, 전기용량은 전압 및 전류의 시간 적분치와 관련되고, 변조 신호의 시간 적분치가 결정되어 복조 신호로서 이용될 수 있다.
도 22d는 복조 신호로서 변조 신호의 시간 적분치를 이용해서 이상적인 결과 전류(292)의 복조로부터 기인하는 이상적인 복조된 전류(296)를 도시하고 있다. 도 22e는 결과 전류(294)의 복조로부터 기인하는 잡음성의 복조된 전류(298)뿐만 아니라, 잡음성의 복조된 전류(298)의 시간 평균(299)을 도시하고 있다. 시간 평균(299)은 추가의 잡음의 도입에도 불구하고 이상적인 복조된 전류(296)에 매우 근접한 것을 알 수 있다. 복조된 전류(298)의 시간 평균(299)은 간섭계 변조기의 전기용량을 결정하는데 이용될 수 있는 측정치를 제공한다.
변조 신호와 직접 관련된 복조된 신호의 사용과 결합하여, 공지된 변조 신호의 이용은 랜덤한 잡음에 상당히 덜 민감한 결과 측정치를 제공한다. 이 결과 전류는 간섭계 변조기의 기타 특성을 결정하기 위한 것뿐만 아니라, 전술한 것과 유사한 방식으로 간섭계 변조기의 전기용량을 결정하기 위하여, 구동 전압과 관련하여 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이 방법은 간섭계 변조기 디스플레이 디바이스 등과 같은 간섭계 변조기의 드라이버 회로 소자가 통합된 구성요소들을 개재해서 수행될 수 있다. 또한, 변조 및 복조를 위한 무관한 의사-랜덤 기능의 적용은 출력에 대한 변화를 초래하지 않는다. 따라서, 이러한 다수의 측정이 상이한 직교 의사-랜덤 기능을 이용해서 동일한 시스템 내에서 동시에 수행된다면, 이들은 서로 간섭하지 않을 것이고, 따라서, 상기 동일한 시스템에 대해서 다수의 동시 측정을 가능하게 할 것이다. 예를 들어, 하나의 어레이 내의 다수의 간섭계 변조기 화소의 전기용량이 동시에 측정될 수 있다.
상기 실시형태 및 전술한 방법의 다양한 조합이 상정된다. 예를 들어, 확산 스펙트럼 기술은 잡음 혹은 간섭의 영향을 최소화하기 위하여 광범위한 다른 측정들과 관련하여 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 테스트 방법은 MEMS 디바이스를 테스트하는 다른 방법과 조합하여 이용될 수 있다.
또, 실시형태에 따라서, 본 명세서에 기재된 어떠한 방법의 작용이나 이벤트도, 명세서에 구체적이고도 명백하게 달리 언급되어 있는 경우를 제외하고, 다른 수순으로 수행될 수 있고, 또한 추가되거나 합병되거나 함께 삭제될 수도 있다(예컨대, 모든 작용이나 이벤트가 방법의 실시를 위해 반드시 필요한 것은 아니다).
이상의 상세한 설명이 다양한 실시형태에 적용되는 본 발명의 새로운 특징들을 도시하고, 묘사하고, 지적하고 있지만, 예시된 과정의 장치의 형태나 상세한 설명에 있어서 다양한 생략, 대체 및 변화들이 행해질 수 있다. 본 발명은, 몇몇 특징부가 다른 것과 별도로 사용되거나 실시될 수 있기 때문에, 본 명세서에 언급된 특징 및 이점의 모두를 제공하지 않는 소정의 형태도 구현될 수 있다.

Claims (30)

  1. 마이크로전자기계 시스템(MEMS: microelectromechanical system) 디바이스에서 변이 전압(transition voltage)을 확인하는 방법으로서,
    MEMS 디바이스를 포함하는 회로를 제공하는 단계로서, 해당 회로는 인가된 전압에 대해서 실질적으로 일정한 임피던스를 제공하도록 구성된 것인 회로제공단계;
    소정 기간 동안 상기 회로에 일정한 전압을 인가하는 인가단계;
    상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 측정단계; 및
    상기 전압의 시간의 함수로서의 측정 결과에 의거해서 변이 전압을 확인하는 확인단계를 포함하는, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스는 상기 MEMS 디바이스의 상태와 독립적으로 실질적으로 일정하게 유지되는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 회로는 상기 MEMS 디바이스와 직렬인 저항을 추가로 포함하고, 해당 직렬인 저항은 상기 MEMS 디바이스의 저항보다 실질적으로 큰 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 직렬인 저항은 최소한 1㏁인 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변이 전압은 소정 기간 동안 실질적으로 일정한 전압을 포함하는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 MEMS 디바이스는 병렬로 배열된 복수개의 MEMS 디바이스를 포함하는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  7. 제6항에 있어서, MEMS 디바이스의 개수는, 상기 복수개의 MEMS 디바이스가 제1상태로부터 제2상태로 변이하는 동안 상기 MEMS 디바이스들 간의 기생 용량이 상기 MEMS 디바이스들에 대한 전압을 실질적으로 일정한 레벨에서 유지하기에 충분한 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  8. 제7항에 있어서, MEMS 디바이스의 개수는 100개 이상인 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  9. 제1항에 있어서, 실질적으로 일정한 전압을 소정 기간 동안 인가하는 단계는 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 주기적인 전압(periodic voltage)을 인가하는 단계를 포함하는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 주기적인 전압은 정사각형 파를 포함하는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 주기적인 전압은 적어도 3개의 전압 레벨 간에 번갈아 나타나는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 주기적인 전압은 상기 MEMS 디바이스의 적어도 미리 결정된 히스테리시스 창에 걸쳐 있는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 MEMS 디바이스는 간섭계 변조기(interferometric modulator)를 포함하는 것인, MEMS 디바이스에서의 변이 전압의 확인방법.
  14. 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스들의 어레이에서 변이 전압을 확인하는 방법으로서,
    소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 구동 전압을 병렬로 배열된 MEMS 디바이스들의 어레이에 인가하는 인가단계로서, 상기 구동 전압은 상기 MEMS 디바이스들의 어레이와 직렬인 저항을 포함하는 회로를 통해서 인가되고, 상기 MEMS 디바이스들의 어레이와 직렬인 저항은 상기 MEMS 디바이스들의 어레이의 저항보다 실질적으로 큰 것인 인가단계;
    상기 MEMS 디바이스들의 어레이에 대한 결과 전압을 시간의 함수로서 측정하는 측정단계; 및
    상기 결과 전압이 상기 어레이 내의 상기 MEMS 디바이스의 제1상태로부터 제2상태로의 변이 동안 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 변이 전압을 확인하는 확인단계를 포함하는, MEMS 디바이스들의 어레이에서의 변이 전압의 확인방법.
  15. 제14항에 있어서, 인가된 구동 전압은 실질적으로 정사각형 파형을 포함하는 것인, MEMS 디바이스들의 어레이에서의 변이 전압의 확인방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 회로의 저항은 상기 임피던스가 실질적으로 일정하게 유지되는 MEMS 디바이스들의 어레이의 저항에 비해서 충분히 큰 것인, MEMS 디바이스들의 어레이에서의 변이 전압의 확인방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 어레이 내의 MEMS 디바이스들은 간섭계 변조기를 포함하는 것인, MEMS 디바이스들의 어레이에서의 변이 전압의 확인방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1상태는 상기 간섭계 변조기의 이완 상태에 대응하고, 상기 제2상태는 상기 간섭계 변조기의 붕괴 상태(collapsed state)에 대응하는 것인, MEMS 디바이스들의 어레이에서의 변이 전압의 확인방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1상태는 상기 간섭계 변조기의 붕괴 상태에 대응하고, 상기 제2상태는 상기 간섭계 변조기의 이완 상태에 대응하는 것인, MEMS 디바이스들의 어레이에서의 변이 전압의 확인방법.
  20. 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스들에서 변이 전압을 결정하는 방법으로서,
    인가된 전압에 대해 실질적으로 일정한 임피던스를 제공하도록 구성된 회로를 이용해서 상기 MEMS 디바이스에 실질적으로 정사각형 파형을 포함하는 구동 전압을 인가하는 단계;
    상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하는 단계; 및
    상기 MEMS 디바이스에 대한 전압이 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 적어도 제1변이 전압을 결정하는 단계를 포함하는, MEMS 디바이스들에서의 변이 전압의 결정방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압이 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 제2변이 전압을 결정하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 제2변이 전압은 상기 제1변이 전압과 상이한 것인, MEMS 디바이스들에서의 변이 전압의 결정방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1변이 전압은 상기 MEMS 디바이스의 작동 전압을 나타내고, 상기 제2변이 전압은 상기 MEMS 디바이스의 해제 전압에 상당하는 것인, MEMS 디바이스들에서의 변이 전압의 결정방법.
  23. 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스를 포함하는 회로로서, 인가된 전압에 대해 실질적으로 일정한 임피던스를 제공하도록 구성된 회로; 및
    소정 기간 동안 상기 MEMS 디바이스에 일정한 전압을 인가하고, 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 시간의 함수로서 측정하여, 시간의 함수로서의 상기 전압의 측정치에 의거해서 변이 전압을 확인하는 회로 소자(circuitry)를 포함하는 디바이스.
  24. 제23항에 있어서, 상기 회로 소자는 상기 MEMS 디바이스에 대한 전압이 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 전압에 상당하는 변이 전압을 확인하도록 구성된 것인 디바이스.
  25. 제23항에 있어서, 상기 MEMS 디바이스는 간섭계 변조기를 포함하는 것인 디바이스.
  26. 제25항에 있어서, 상기 변이 전압은 상기 간섭계 변조기의 작동 전압을 포함하는 것인 디바이스.
  27. 제25항에 있어서, 상기 변이 전압은 상기 간섭계 변조기의 해제 전압을 포함하는 것인 디바이스.
  28. 인가된 전압에 대해서 일정한 임피던스를 유지하는 유지수단;
    마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스에, 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 전압을 인가하는 인가수단;
    상기 MEMS 디바이스에 대한 전압을 측정하는 측정수단; 및
    측정된 전압에 의거해서 상기 MEMS 디바이스의 변이 전압을 확인하는 확인수단을 포함하는 디바이스.
  29. 제28항에 있어서, 상기 유지수단은 상기 MEMS 디바이스와 직렬인 저항을 포함하는 회로를 포함하며, 상기 MEMS 디바이스와 직렬인 저항은 MEMS 디바이스의 저항보다 실질적으로 큰 것인 디바이스.
  30. 제28항에 있어서, 상기 확인수단은 상기 MEMS 디바이스에 대한 측정된 전압이 소정 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 전압에 상당하는 변이 전압을 확인하도록 구성된 회로 소자를 포함하는 것인 디바이스.
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