從CMOS到DMD 發(fā)明家漫談技術(shù)開發(fā)歷程

    固態(tài)物理學家、并擔任德州儀器(TI)公司研究員的Larry Hornbeck由于了發(fā)明數(shù)位微型反射鏡元件(DMD)而榮獲Emmy技術(shù)工程獎。 DMD是TI公司用于投影顯示器之數(shù)位光學處理(DLP)核心的微機電系統(tǒng)(MEMS)。

    除了推動數(shù)位劇院、前投式投影機和HDTV的技術(shù)發(fā)展之外，Hornbeck的MEMS微型反射鏡還實現(xiàn)了3D度量系統(tǒng)、可消除螢光取樣點周圍常因失焦而產(chǎn)生‘模糊影像’的共軛焦(confocal)顯微鏡，以及采用3D而非僅2D寫入資料的全像儲存系統(tǒng)。

    當TI在1977年著手開發(fā)MEMS時，您是否正專注于光學處理等特殊應(yīng)用的研究？

    Hornbeck：不僅是在1977年，在更早之前，我們就已經(jīng)對以MEMS來調(diào)整光感到興趣了。當時我從Case Western大學獲得固態(tài)物理學博士學位后，才在TI公司工作沒多少年。但由于TI獲得了美國國防部(DOD)一項透過可變形微型反射鏡開發(fā)空間光學調(diào)變器的合約，因此我們很早就展開MEMS研究。 DOD打算將這項類比技術(shù)用于光學運算方面。

    我想，即使MEMS的研究才剛展開，你們就必須發(fā)明所需的制造技術(shù)。

    Hornbeck：在1981年時，MEMS意味著采用體微加工(bulk micromachining)的單晶矽，這使得元件的制造非常昂貴。然而，隨著一些大學展開更具經(jīng)濟效益的表面微加工(surface micromachining)多晶矽試驗，這種元件已成為目前制作MEMS的傳統(tǒng)方法。

    隨著微型反射鏡的成功，TI是否計劃為MEMS建立一個專用制造廠？

    Hornbeck：我們從未曾需要專用的制造廠，因為我們的MEMS制造能夠相容于傳統(tǒng)的CMOS制程。我們先完成所有電晶體和用于電晶體互連的金屬層，然后采用低溫制程將MEMS放在完成的CMOS晶片上。

    也就是說，你們先完成整個晶片的制造，然后預(yù)留最后可增加MEMS的區(qū)域嗎？

    Hornbeck：這種方法與其他MEMS制造方法全然不同，我相信TI目前仍是采用這種方法的唯一一家公司。具體實現(xiàn)步驟是為機械單元選用鋁合金材料，并以傳統(tǒng)光阻作為犧牲空間。所有工作都在200℃以下完成，因此在晶片上增加MEMS時不會影響金屬化制程或電晶體，也不會影響已經(jīng)完成的CMOS電路。這種方法至今已經(jīng)形成了我們制造MEMS微型反射鏡的標準基礎(chǔ)，但在當時卻與其他制造方法截然不同。

    對MEMS供應(yīng)商來說，最主要的目標是能像他們連結(jié)電路一樣，在相同的CMOS晶片上無縫地整合MEMS結(jié)構(gòu)。整體來看，我認為TI是由于在CMOS晶片上整合了MEMS結(jié)構(gòu)，因此從一開始就處于領(lǐng)先地位。

    Hornbeck：這是我們得以成就DLP所依據(jù)的主要支柱之一。

    但起初你們就打算制作類比微型反射鏡嗎？

    Hornbeck：是的，我們努力了好多年的時間，試圖利用2400面呈線性排列的類比微型反射鏡，來取得足夠的一致性和光學效率，以便實現(xiàn)簡單的靜電印刷技術(shù)。但直到1986年，我們都未能獲得成功。不但無法取得一致性，我們的類比電壓也高達30V，同時也缺乏足夠的鏡面反射角度；這些全都是因為我們試圖制作類比微型反射鏡之故。因此，相較于當時曾嘗試過的各種方法，后來我們所作的第二個最大改變便是走向數(shù)位化。

    那時是什么時候呢？

    Hornbeck：我在1987年發(fā)明了數(shù)位微型反射鏡元件并申請了專利，獲得核準的專利就成為后來所有DMD架構(gòu)的基礎(chǔ)。接下來，我不再繼續(xù)開發(fā)必須取決于靜電吸引力和彎曲恢復力之間精確平衡的類比MEMS微型反射鏡，轉(zhuǎn)而制作可在兩個數(shù)位狀態(tài)之間轉(zhuǎn)動的微型反射鏡。這種微型反射鏡的觸點可依照正反方向來停止微型反射鏡。與缺乏停止控制功能的類比微型反射鏡相較，這種類比技術(shù)更容易控制角度。

    采用數(shù)位化技術(shù)還有其他的好處嗎？

    Hornbeck：當然。因此，透過可運作在雙穩(wěn)態(tài)模式的微型反射鏡，我們可使用更低的工作電壓，因為微型反射鏡可被觸發(fā)為任一種穩(wěn)態(tài)。與類比微型反射鏡相較，這種新型的數(shù)位架構(gòu)可實現(xiàn)更大的旋轉(zhuǎn)角度、更好的一致性和更低的工作電壓。這也一直是我們在MEMS領(lǐng)域成功的基礎(chǔ)。

    在你先前所提到的頁面印刷應(yīng)用中，也采用了數(shù)位設(shè)計技術(shù)嗎？

    Hornbeck：事實上，第一個DMD的商用產(chǎn)品是機票印表機。當初用于列印機票的撞擊式印表機非常成功，但后來舊式的紅色復寫紙逐漸改成單張票券。列印單張票券提高了速度，但我們的撞擊式印表機已無法符合要求。為了保持市場占有率，我們決定采用更高速的靜電印刷技術(shù)。 TI決定使用線性DMD－840 X 1陣列的微鏡取代傳統(tǒng)多邊掃描器。首款產(chǎn)品便是1990年上市的DMD2000機票印表機。

    對于DMD來說，HDTV似乎是機票印表機的另一種延伸應(yīng)用。是什么因素影響了TI公司朝向HDTV方向發(fā)展？

    Hornbeck：1989年，美國國防先進研究計劃署(DARPA)展開了一項鼓勵美國HDTV技術(shù)發(fā)展的研究計劃，并給予了TI公司數(shù)百萬美元的資助來開發(fā)高解析DMD原型晶片。

    這項計劃也推動了你們從列印轉(zhuǎn)變到光學投影嗎？

    Hornbeck：是啊，不過那只是開始。英國Rank公司旗下的Rank-Brimar公司當時正在尋找一種能在電影院和禮堂的大型螢?zāi)簧贤队案呓馕鲭娨暤募夹g(shù)。他們在1989年投資并協(xié)助我們開發(fā)一款三晶片的DMD原型投影機。

    1991年，TI決定啟動一項合資計畫，并投入了大量人力物力，我們稱這項計劃為數(shù)位成像風險專案(DIVP)，其目標在于開發(fā)高解析電視。這在1991年時聽起來有點奇怪，因為當時的電視是類比的，沒有人在那樣的層次上用MEMS來做任何東西，也沒有任何現(xiàn)成產(chǎn)品、標準或任何相關(guān)事物。因此，我們決定要做的是數(shù)位高解析電視，但以投影機為起點，因為我們在此領(lǐng)域已經(jīng)擁有經(jīng)驗和用戶了。到了1996年時，我們便發(fā)布了第一款DLP產(chǎn)品。

    當時所用的是什么樣的投影機？

    Hornbeck：1994年時，一款傳統(tǒng)的投影機通常重達35~40磅，亮度相對較暗，價格約在15000~18000美元之間。因此，我們認為應(yīng)該能夠明顯地改變投影機的重量、亮度和成本。前投式投影便成為我們早期成功的秘訣。我們從1996年時只有InFocus、nView和Proxima等三家用戶開始，現(xiàn)在已經(jīng)有了75家客戶了。此外，當時愛普生的一款LCD投影機是我們的主要競爭產(chǎn)品。

    當時因為缺乏熟悉數(shù)位光學投影機設(shè)計的工程師，我們便為OEM提供完整的數(shù)位光學引擎。但現(xiàn)在我們能為OEM提供晶片組和軟體。該晶片組由1個或3個DMD、1個用于影像處理和格式化的ASIC，以及一個驅(qū)動DMD的波形晶片所組成。 DLP Composer軟體可協(xié)助OEM設(shè)計定制化的投影機。

    如今，DLP擁有約50%的全球前投式投影機市場，提供350多種產(chǎn)品。在顯示器尺寸超過40英寸的1080p HDTV技術(shù)中，DLP已經(jīng)是市場上的領(lǐng)導技術(shù)。

    TI如何跨入數(shù)位劇院方面的業(yè)務(wù)？

    Hornbeck：1997年，在我們推出商用投影機后，更發(fā)表了第一款用于大型場地的高亮度三晶片DLP系統(tǒng)。 DMD非常適合這一類的應(yīng)用，因為它能為亮度極高的投影燈減輕熱負載。我們開始向電影制片商推薦適合他們的技術(shù)，最終我們贏得了他們的信任。

    在此期間，由于該三晶片系統(tǒng)擁有卓越的色彩穩(wěn)定性，使得電視廣播公司也將它用在新聞主播背后的監(jiān)視器，以及比賽節(jié)目中。這也是我和TI能獲得‘電視藝術(shù)科學學院’頒發(fā)Emmys獎的由來。 TI獲得DLP TV方面的獎項，而我則是由于發(fā)明數(shù)位微型反射鏡而獲獎。

    下一步的計劃是什么呢？

    Hornbeck：TI已開始采用DLP劇院投影技術(shù)的3D版本來裝配其數(shù)位劇院系統(tǒng)。另一方面，TI也展示了一款微型DLP晶片的原型，這種又小又便宜的晶片足以置入手持設(shè)備中，以增加投影功能，并能從手機等手持設(shè)備上將影像投影至相對較大的顯示器上。

    至于數(shù)位微型反射鏡的未來，你大可恣意想像任何可能的應(yīng)用。我們正針對可能會用到DLP系統(tǒng)的各種物件開發(fā)參考設(shè)計，不久的將來，我們便會陸續(xù)發(fā)布有關(guān)新應(yīng)用領(lǐng)域方面的重要資訊。

    Larry J. Hornbeck

    德州儀器(TI)公司數(shù)位影像研究員，美國Case Western Reserve大學固態(tài)物理學博士

    1998年獲美國電視藝術(shù)科學學院頒發(fā)Emmy獎－杰出工程技術(shù)開發(fā)，擁有電荷耦合元件(CCD)、紅外線影像感測器，以及DMD技術(shù)等30多項專利。