RU224918U1 - Матрица микрозеркал (dmd) для ультрафиолетового спектра излучения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области микроэлектроники. Матрица DMD для УФ-спектра излучения с длиною волны менее 325 нм - это кремниевый кристалл комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти со сформированной на нем матрицей, состоящей из квадратных микрозеркал из алюминиевого сплава, способных поворачиваться на определенный угол в одну или другую сторону. Прозрачное окно на матрице выполнено из материала прозрачного для ультрафиолетового спектра излучения с длиною волны менее 325 нм. Таким материалом может быть кварцевое стекло КУ-1, фторид лития (LiF), фторид магния (MgF₂), сапфир (Al₂O₃) или другой материал, прозрачный для УФ-излучения с длиною волны менее 325 нм. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области микроэлектроники, в частности рассматривает конструкцию матрица DMD-УФ, являющейся модернизированным вариантом матрицы DMD, усовершенствованной для функционирования в ультрафиолетовом (УФ) спектре излучения с длиной волны менее 325 нм. Микросхема DMD (Digital Micromirror Device, цифровая микрозеркальная матрица) усовершенствована для применения в области микроэлектроники и управления светом, и подвергнута изменениям, позволившим в дальнейшем использовать ее в имитаторах, спектре излучения с длиною волны менее 325 нм.

Из уровня техники известна DMD-микросхема - это кремниевый кристалл КМОП-памяти (комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти) (рис.1), на котором сформирована матрица, состоящая из алюминиевого сплава квадратных микрозеркал 1 (журнал «PC Magazine/Russian Edition», Иван Рогожкин, статья «Проектор изнутри: DLP-технология», дата публикации: 06.04.2007) (принято в качестве прототипа), способных поворачиваться на определенный угол в одну или другую сторону. Если поместить источник света так, что в одном положении микрозеркало 1 будет направлять луч в апертуру объектива, а в другом - мимо него, на экране проектора сформируется изображение из светлых и темных пикселей (в зависимости от положения соответствующего микрозеркала 1). Каждое зеркало DMD-матрицы может находиться в трех положениях (нейтральном и двух наклонных), для формирования картинки в DLP-проекторе реально используются только два - наклонные. Поскольку угол поворота зеркала определяется геометрическими параметрами структуры, а она формируется с помощью точной кремниевой фотолитографии, все элементы DMD-матрицы оказываются практически идентичными. Размер зеркала изначально был выбран 16×16 мкм, в сегодняшних матрицах размер зеркала зависит от их разрешения, а угол отклонения достиг 12°. Каждое микрозеркало 1 располагается на столбике 2, жестко прикрепленном к качающемуся коромыслу 3, которое, в свою очередь, подвешено между двумя неподвижными столбиками 4 на тонкой, чрезвычайно упругой и прочной гибкой ленте 5, благодаря чему DLP-матрица может надежно работать много лет (по данным компании Texas Instruments, время наработки DMD-микросхемы на отказ в трехматричном проекторе достигает 76 тыс.ч. Для управления поворотами микрозеркал 1 используется явление электростатического притяжения между адресным электродом 6, смонтированном на столбике 7, и микрозеркалом 1 с коромыслом (в сборе).

Информация о состоянии каждого пикселя картинки записывается в соответствующую ему ячейку памяти 8 - обычный триггер. Его противофазные выходы подключены к адресным электродам 9 микроструктуры, а потому содержимое ячейки памяти влияет на положение зеркала.

Работа DMD-матрицы предусматривает шесть различных состояний. В состоянии готовности памяти все триггеры матрицы загружены нужной информацией (загрузка осуществляется последовательно, по строкам). В состоянии сброса все микрозеркала притягиваются к адресным электродам 9 импульсом повышенного напряжения, подаваемым на шину смещения 10, т.е. на сами зеркала. Состояние освобождения достигается, когда все зеркала освобождаются, выстраиваясь в нейтральном положении, т.е. в одной плоскости. Состояние дифференциации предусматривает подачу на шину смещения 10 промежуточного (между логическим нулем и единицей) напряжения, при котором электростатические поля между адресными электродами 6, 9 и микрозеркалом 1 подталкивают освобожденное зеркало в нужную сторону, определяемую содержимым ячейки памяти 8. В состоянии приземления на шину смещения 10 подается такое напряжение, при котором зеркала ускоренно притягиваются к адресным электродам 9, поворачиваясь на максимальный угол, при этом ограничительные выступы 11 коромысла упираются в «посадочные» зоны 12. В состоянии (процессе) загрузки памяти микрозеркала остаются неподвижными в одном из двух наклонных положений, а содержимое ячеек памяти обновляется по строкам.

В процессе работы DMD-матрица попеременно проходит шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка памяти, готовность памяти. Фаза сброса помогает преодолеть силы прилипания. При малых размерах механической структуры они настолько велики, что одной упругости ленточного подвеса для высвобождения зеркала не достаточно. Компания Texas Instruments реализовала весьма оригинальную идею - запасать энергию упругости, подобно арбалетчику, натягивающему тетиву. В фазе сброса создается сильное притягивающее электростатическое поле, упругий кончик адресного электрода прогибается, а когда электростатическое поле снимается и наступает фаза освобождения, силы упругости хватает не только на то, чтобы толкнуть микрозеркало вверх, но и чтобы оторвать коромысло от «посадочной» зоны.

На одном адресном электроде присутствует напряжение логической единицы (для пятивольтовых КМОП-структур примерно +5 В), а на другой подается логический ноль (около 0 В). В фазе дифференциации шина смещения заземлена. Возникающая сила электростатического притяжения не может повернуть зеркало до упора, она лишь немного наклоняет его в нужную сторону. Далее, в фазе приземления на шину смещения подается уже отрицательное напряжение, которое создает момент силы, достаточный для преодоления упругости подвеса и поворота зеркала на полный угол. В этой фазе оба электрода притягивают зеркало, но стремятся повернуть его в разные стороны и с разной силой. Управление зеркалами на DMD-матрице достигается филигранным изменением напряжения на шине смещения, которое формируется специальными электронными схемами, размещенными вне DMD-кристалла. В некоторые моменты электростатическое поле прижимает все зеркала к матрице, в другие - позволяет им освободиться и начать поворот, а иногда вместе с силой прилипания не позволяет сдвинуться с места, несмотря на то, что напряжение между адресными электродами может изменяться на противоположное. Все зеркала в структуре поворачиваются синхронно, что благоприятно сказывается на динамических свойствах матрицы, т.е. она хорошо передает движение.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных качеств DMD матрицы путем замены стандартно устанавливаемого производителем (Texas Instruments) прозрачного окна, из боросиликатного стекла марки «Corning 7056» (по данным производителя), на пластину из прозрачного для УФ-излучения материала, например кварцевого стекла КУ-1, фторида лития (LiF), фторида магния (MgF₂), сапфира (Al₂O₃) или другого для пропускания УФ-излучения с длинною волны меньше 325 нм.

Указанный технический результат достигается тем, что в матрице DMD для УФ-спектра излучения (рис.3а, 3б), содержащей кремниевый кристалл комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти со сформированной на нем структурой, состоящей из квадратных микрозеркал из алюминиевого сплава 17, установленных с возможностью поворота на угол не менее 10-12° в одну и другую сторону от нейтрального положения, для направления отраженного излучения через прозрачное окно 16, расположенное над указанными микрозеркалами в корпусе матрицы 18, данное прозрачное окно 16, установленное производителем удаляется вместе с металлической рамкой 20, соединенной со стеклом при высокой температуре по шву 21, а на его место устанавливается пластина из прозрачного для УФ-излучения материала 23, например кварцевого стекла, фторида лития (LiF), фторида магния (MgF₂), сапфира (Al₂O₃) или другого для пропускания УФ-излучения с длиною волны меньше 325 нм, которая приклеена по периметру к выступу 19 на корпусе устройства 18 , окружающему массив микрозеркал 17, клеевым составом 24.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На рис.1 показана структура DMD-микросхема по прототипу;

рис.3б - матрица DMD с замененным на LiF (фторида лития) окном.

Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция матрицы DMD для видимого и невидимого спектров излучения, которая включает в себя кремниевый кристалл комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти со сформированной на нем структурой, состоящей из квадратных микрозеркал из алюминиевого сплава 1, установленных с возможностью поворота на угол не менее 10-12° в одну и другую сторону от нейтрального положения, для направления отраженного излучения через прозрачное окно 13 (рис.2), расположенное над указанными микрозеркалами 1 в металлизированном корпусе 14 матрицы на расстоянии 1,1 мм.

Каждое микрозеркало DMD-матрицы (рис.1) может находиться в трех положениях (нейтральном и двух наклонных), но рабочими для формирования картинки в DLP-проекторе являются только два наклонных положения. Каждое микрозеркало 1 располагается на столбике 2, жестко прикрепленном к качающемуся коромыслу 3, которое, в свою очередь, подвешено между двумя неподвижными столбиками на тонкой, чрезвычайно упругой и прочной гибкой ленте 5. Для управления поворотами микрозеркал используется явление электростатического притяжения между адресным электродом 6 и микрозеркалом 1, закрепленным на коромысле 3. Данная конструкция описана применительно к прототипу.

При производстве DMD матриц используется стандартная кремниевая технология.

На кристалле формируется матрица запоминающих элементов размером 800×600, 1024×768 или больше с двумя слоями металлизации для межсоединений. Третий слой металлизации образует адресные электроды 9 и шину смещения 10 с «посадочными» зонами 12. Сверху создается структура, в которой пространство между металлическими элементами сначала заполняется слоем органического вещества, который впоследствии удаляют в установке плазменного травления. Окантовка микрозеркального поля зачерняется, чтобы вокруг экрана DLP-проектора не было паразитной засветки. Готовый кристалл помещают в металлокерамический корпус 14 с прозрачным окном 13 (рис.2), 16 из боросиликатного стекла (рис.3а), марки «Corning 7056» (по данным производителя), на месте верхней крышки. Контактные площадки 15 (рис.2) по периметру кристалла соединяют с выводами корпуса тонкими золотыми проводниками. С обратной стороны корпуса в центре располагается прямоугольное металлизированное поле для отвода тепла от DMD-матрицы, а по периметру размещены позолоченные контактные площадки. Для придания DMD матрице расширительных качеств в части возможности отражения волн УФ-диапазона с длинною волны менее 325 нм, согласно настоящей полезной модели предлагается заменить существующее окно 13 (рис.2), 16 (боросиликатное стекло) на материал (рис.3а), который бы пропускал волны УФ-диапазона. Волны УФ-излучения с длиною менее 325 нм пропускают такие материалы как: кварцевое стекло КУ-1, фторид лития (LiF), фторид магния (MgF₂), сапфир (Al₂O₃).

Эта модернизация позволит применять DMD матрицу в проекторах и имитаторах работающих с длинами волн УФ-диапазона менее 325 нм. Например, на литографических установках с длинами волн источника УФ 185 нм, 193 нм, 254 нм, недоступными для манипулирования с помощью матрицы микрозеркал DMD в стандартном исполнении от производителя.

Для этого стандартное прозрачное окно удаляется, а на его место приклеевается пластина из материала прозрачного для УФ-излучения с длиною волны менее 325 нм.

Усовершенствование DMD матрицы проводилось следующим образом. Для осуществления полезной модели взята DMD матрица DLP7000. Замена стекла на матрице производилась с применением самоохлаждающегося диска с гальваническим алмазным напылением. Стандартно устанавливаемое производителем боросиликатное стекло 16 матрицы (рис.3а) герметично соединенное с металлической рамкой 20 отрезается по линии контактной сварки 22 по всему периметру. Во время резки стекло удерживается на месте, во избежание попадания продуктов реза внутрь модифицируемого устройства. Удерживая срезанное стекло на месте, производиться тщательная очистка от продуктов реза. Повреждение контактов не происходит, т.к. под линией реза они отсутствуют.

Далее стекло снимается с матрицы и на его место приклеивается пластина из LiF или другого УФ прозрачного материала толщиной 1 мм. Пластину из LiF или другого УФ прозрачного материала приклеивают по периметру к окну матрицы, используя теплопроводящий электроизоляционный Компаунд 24. Контроль за качеством исполнения осуществляют путем установки новой матрицу в проектор для проверки работоспособности матрицы.

Claims (1)

1. Матрица микрозеркал DMD для ультрафиолетового спектра излучения, содержащая кремниевый кристалл комплиментарный металл-окисел-полупроводник памяти со сформированной на нем структурой, состоящей из квадратных микрозеркал из алюминиевого сплава, установленных с возможностью поворота на угол не менее 10-12° в одну и другую сторону от нейтрального положения, для направления отраженного излучения через прозрачное окно, расположенное над указанными микрозеркалами в корпусе матрицы, отличающаяся тем, что в качестве окна используется пластина из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения.