MEMS显示技术的发展历程解析

　　1、什么是MEMS？

　　MEMS全称MicroElectroMechanicalSystems，即微电子机械系统，其组成包括微型传感器、微型执行器、微型架构及相应的微型处理电路。它是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

　　MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。

　　第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。

　　图1、MEMS系统

　　2.MEMS显示技术发展历程

　　MEMS和微光学技术结合可以实现各种微型光学器件结构，这种微型光学器件具有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、易于集成等特点，利用MEMS微光学器件可以很好地实现光线的调制和操控。因此，基于MEMS的显示技术自上世纪80年代以来得到长足的发展，Ti公司基于DMD器件的DLP投影仪已经征服世界，SONY公司在GLV技术基础上发展的了大型的GxL激光投影仪，而在中小尺寸显示屏领域，则主要是由高通全资子公司高通光电在进行推动。

　　2004年高通公司通过并购Iridigm获得iMoD技术，并在2008年国际信息显示大会上推出了全球第一款iMoD彩色显示屏。Mirasol显示屏以干涉测量调制（iMoD）的反射技术为基础，可以利用环境光线而不需要背光进行显示，其功耗自然被大大降低。反射型Mirasol显示器还可根据周围光照条件自动调节，使用户在几乎所有环境下查看内容，包括明亮的阳光下。iMoD元件虽然简单，却可以提供调制、色彩选择以及内存功能，取代了传统有源矩阵、彩色滤光片和偏光片的作用。

　　2.1．Mirasol显示屏的色彩生成机理

　　从根本上说，Mirasol显示屏是一个光谐振空穴，类似于法布里--珀罗标准具，每个iMoD像素包含红、绿、蓝3种颜色小像素，每个小像素的大小在10μm~100μm左右。每个子像素点包含独立的可变形反光膜与薄膜堆叠层（每层薄膜可充当光谐振空穴的一个镜面），二者均装于透明基板上。而玻璃基板和反射膜之间的空隙则构成了空气薄膜，以利于光线在其中反射。根据空穴的高度，反光膜所反射之特定波长的光线与薄膜结构的反射光线之间存在微小相差，基于相差，某些波长将发生相长干涉，另一些则发生相消干涉，利干涉原理的色彩生成，对光线的使用效率要比传统彩色滤光片高很多。通过改变反光膜状态以调整空穴的高度，Mirasol显示屏的图像可在彩色与黑色之间进行切换，对薄膜堆叠层施加高电压后，静电力将使反光膜变为塌陷状态，光穴的变化导致光线在人眼不可见的紫外线波长处发生相长干涉，因此屏幕显示黑色。对薄膜堆叠层施加高低压后接通电压时，反射层会下降，光穴高度增大，当光穴高度为160nm时，iMoD显示绿色；300nm时，iMoD显示蓝色；400nm时显示红色（如下图2）。

　　图2、iMoD子像素工作原理

　　从本质上看，iMoD元件是1位设备，也就是说，它可被驱动到暗态（全黑）或亮态（彩色）。为了显示灰度图像，可以利用空间抖动或瞬时抖动，空间抖动是将已有子像素分成若干更小的可寻址元件，然后分别驱动单个元件已得到不同的灰度。此种方式需要每个元件额外具有一个行驱动器。另一方式是瞬时抖动，可用于获得额外的灰度等级。空间抖动与瞬时抖动个有利弊，空间抖动功耗较小，因为显示器无需像瞬时抖动那样频繁刷新。由于功耗与刷新频率成正比，所以瞬时抖动最好用于对功耗不太敏感的情形，但瞬时抖动排布元件较少，并能提供更高的填充系数。因此将两种方式结合起来使用以境加灰度级别数目。图4表示一个iMoD像素结构，由红、绿、蓝3个子像素组成，每个子像素分成多个可寻址单元。第二代的iMoD器件在填充系数、光学性能和电-机行为等方面进行了改进，在各子像素之间设立了支撑柱，可以给予所有未被寻址的单元以机构支撑，使填充系数超过了90%。

　　Mirasol显示屏另一个显著优势就是又稳态特性，只有在像素颜色需要改变时才需要消耗电力，所以它的功耗极低，也可以说Mirasol显示屏非常适合于需要长时间显示固定黑白或彩色内容的电子阅读器。Mirasol显示屏的双稳态性来自于制造工艺的机电属性所固有的滞后效应。该特性源于反光膜的线性机械回复力与所施加电场的非线性力所固有的不平衡性，类似于有源矩阵显示器中的TFT元件。

　　图3、第二代iMoD像素结构

　　仅管与传统LCD和OLED显示相比，Mirasol显示屏具有响应时间快、可读性强，功耗低、稳定性好等显著优点，但由于其生产良率过低，组装性能差，据高通透露，Mirasol显示屏在OEM生产时良率仅40%-50%。虽然经过几年努力，发展仍然十分缓慢。故2012年7月，高通宣布停止Mirasol显示屏的生产并开始将技术授权给一些企业使用。

　　2.2．TMOS显示屏工作原理

　　在高通努力发展Mirasol显示屏时，一家名叫Pixtronix的美国显示技术公司则在开发另一种基于时序多工光学快门（TMOS）的MEMS显示技术，Pixtronix公司与日立展开合作并于2010年10月发布一款基于此技术的MEMS显示器。与传统液晶显示器相比，耗电量仅为1/2。该技术的核心是像素设计，利用MEMS快门来控制显示器的光通量。

　　TMOS显示器由负责像素处理的带薄膜晶体管的光导管和一个被称为Opcuityactivelayer的微光薄膜构成（见图4）。光导管是显示器的核心光转换媒介，由RGBLED发出的非平行光通过其入射，并在其中保持随机多模TIR传播，直到发散成为活动像素。

　　图4、TMOS系统的基本原理

　　Opcuityactivelayer包括一个基本底膜，表面的MEMS结构和一个导线。对于单个像素，TMOS光阀结构就是一个可变电容。光导中一个传导平面和活跃层中的另一个传导平面相互平行，并保有一个间隙。当像素电容产生电压差的时候，静电引力使两个传导平面结合到一起（见图5）。控制了光导板的充放电就能使单个像素穿过活性薄膜。TMOS中的时序多工是一种显示器的图像构成方式。对于一个全彩色图形来说，红、绿和蓝光依次注入，由MEMS快门决定哪种光会在何时被传送。这个过程经常被当称为场序色彩生成。该方法具有许多好处。第一，它与现在的构造基础完全兼容，不需显示制造商重建生产车间。第二、它不需要在结构上叠加滤光片、偏光片等光学薄膜，从而大大增加了光强。

　　图5、快门控制光线传导

　　快门开关的速度和位置可以控制背光源的透光量，从而确定屏幕显示的颜色和强度。当快门关闭，没有光源通过，呈现出黑色像素，当快门完全打开的时候，我们看到的则是白色像素。MEMS显示屏通过平衡大量快门的速度、其开关的位置和各种颜色背光源之间的关系，高度还原屏幕的色彩和亮度。

　　2011年11月，致力于发展MEMS显示技术的高通宣布收购Pixtronix公司，随后又宣布入股夏普取得IGZO技术。而夏普所掌握的氧化铟镓锌（IGZO）技术，是一种薄膜晶体管液晶显示屏（TFT-LCD）技术。它将铟、镓、锌与氧结晶化，实现原子之间独特、细致的排列方式。与传统LCD的非晶硅相比，新的结晶构造中电子迁移率提高了20--50倍。因此，采用IGZO技术MEMS快门开关速度将会得到显著提高，画面显示也更加细腻。但MEMS屏幕也不是没有缺点。就像DLP投影会产生“彩虹效应（rainboweffect）”那样，当你摇头看它时，MEMS屏幕也会产生类似那样的效果。

　　3．MEMS显示屏商用进程

　　MEMS显示技术商用速度目前进展十分缓慢，IGZO+MEMS技术只有夏普和高通在推动发展，2014年在SID展会上成功发布一款7英寸MEMS屏幕后，并无太大进展。而另一科技巨头苹果也在悄然布局MEMS技术，苹果在2011年开始开发MEMS显示技术，并且申请了一种与LCDOLED一起使用的混合屏幕技术专利，2015年4月份又通过台积电的渠道，获得了新竹科学园区管辖的龙潭科学园区原正崴集团（Foxlink）旗下广达工厂，设立美商电子股份有限公司台湾分公司，利用原来广达和高通合作的Mirasol显示屏生产线来研发新型MEMS显示技术。

　　MEMS显示技术在生产上属于一种基于先进半导体的芯片制程技术，在显示驱动上属于精密的电子调制系统控制软件。虽然高通在技术原型的基础上已经开发成熟，但由于其固定资产投资、应用技术开发等软、硬件支持方面受限制十分严重。