從CMOS到DMD 發(fā)明家漫談技術(shù)開(kāi)發(fā)歷程

    固態(tài)物理學(xué)家、并擔(dān)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(jiǎng)。 DMD是TI公司用于投影顯示器之?dāng)?shù)位光學(xué)處理(DLP)核心的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。

    除了推動(dòng)數(shù)位劇院、前投式投影機(jī)和HDTV的技術(shù)發(fā)展之外，Hornbeck的MEMS微型反射鏡還實(shí)現(xiàn)了3D度量系統(tǒng)、可消除螢光取樣點(diǎn)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(chǔ)存系統(tǒng)。

    當(dāng)TI在1977年著手開(kāi)發(fā)MEMS時(shí)，您是否正專注于光學(xué)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(duì)以MEMS來(lái)調(diào)整光感到興趣了。當(dāng)時(shí)我從Case Western大學(xué)獲得固態(tài)物理學(xué)博士學(xué)位后，才在TI公司工作沒(méi)多少年。但由于TI獲得了美國(guó)國(guó)防部(DOD)一項(xiàng)透過(guò)可變形微型反射鏡開(kāi)發(fā)空間光學(xué)調(diào)變器的合約，因此我們很早就展開(kāi)MEMS研究。 DOD打算將這項(xiàng)類比技術(shù)用于光學(xué)運(yùn)算方面。

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

    Hornbeck：在1981年時(shí)，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(xué)展開(kāi)更具經(jīng)濟(jì)效益的表面微加工(surface micromachining)多晶矽試驗(yàn)，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(jì)劃為MEMS建立一個(gè)專用制造廠？

    Hornbeck：我們從未曾需要專用的制造廠，因?yàn)槲覀兊腗EMS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(shuō)，你們先完成整個(gè)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(shí)現(xiàn)步驟是為機(jī)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(shí)不會(huì)影響金屬化制程或電晶體，也不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)，但在當(dāng)時(shí)卻與其他制造方法截然不同。

    對(duì)MEMS供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，最主要的目標(biāo)是能像他們連結(jié)電路一樣，在相同的CMOS晶片上無(wú)縫地整合MEMS結(jié)構(gòu)。整體來(lái)看，我認(rèn)為TI是由于在CMOS晶片上整合了MEMS結(jié)構(gòu)，因此從一開(kāi)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(shí)間，試圖利用2400面呈線性排列的類比微型反射鏡，來(lái)取得足夠的一致性和光學(xué)效率，以便實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(wú)法取得一致性，我們的類比電壓也高達(dá)30V，同時(shí)也缺乏足夠的鏡面反射角度；這些全都是因?yàn)槲覀冊(cè)噲D制作類比微型反射鏡之故。因此，相較于當(dāng)時(shí)曾嘗試過(guò)的各種方法，后來(lái)我們所作的第二個(gè)最大改變便是走向數(shù)位化。

    那時(shí)是什么時(shí)候呢？

    Hornbeck：我在1987年發(fā)明了數(shù)位微型反射鏡元件并申請(qǐng)了專利，獲得核準(zhǔn)的專利就成為后來(lái)所有DMD架構(gòu)的基礎(chǔ)。接下來(lái)，我不再繼續(xù)開(kāi)發(fā)必須取決于靜電吸引力和彎曲恢復(fù)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(gè)數(shù)位狀態(tài)之間轉(zhuǎn)動(dòng)的微型反射鏡。這種微型反射鏡的觸點(diǎn)可依照正反方向來(lái)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(dāng)然。因此，透過(guò)可運(yùn)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?yàn)槲⑿头瓷溏R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(shí)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?cè)贛EMS領(lǐng)域成功的基礎(chǔ)。

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

    Hornbeck：事實(shí)上，第一個(gè)DMD的商用產(chǎn)品是機(jī)票印表機(jī)。當(dāng)初用于列印機(jī)票的撞擊式印表機(jī)非常成功，但后來(lái)舊式的紅色復(fù)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(jī)已無(wú)法符合要求。為了保持市場(chǎng)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(jī)票印表機(jī)。

    對(duì)于DMD來(lái)說(shuō)，HDTV似乎是機(jī)票印表機(jī)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(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)展開(kāi)了一項(xiàng)鼓勵(lì)美國(guó)HDTV技術(shù)發(fā)展的研究計(jì)劃，并給予了TI公司數(shù)百萬(wàn)美元的資助來(lái)開(kāi)發(fā)高解析DMD原型晶片。

    這項(xiàng)計(jì)劃也推動(dòng)了你們從列印轉(zhuǎn)變到光學(xué)投影嗎？

    Hornbeck：是啊，不過(guò)那只是開(kāi)始。英國(guó)Rank公司旗下的Rank-Brimar公司當(dāng)時(shí)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?cè)?989年投資并協(xié)助我們開(kāi)發(fā)一款三晶片的DMD原型投影機(jī)。

    1991年，TI決定啟動(dòng)一項(xiàng)合資計(jì)畫(huà)，并投入了大量人力物力，我們稱這項(xiàng)計(jì)劃為數(shù)位成像風(fēng)險(xiǎn)專案(DIVP)，其目標(biāo)在于開(kāi)發(fā)高解析電視。這在1991年時(shí)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)奇怪，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電視是類比的，沒(méi)有人在那樣的層次上用MEMS來(lái)做任何東西，也沒(méi)有任何現(xiàn)成產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)為起點(diǎn)，因?yàn)槲覀冊(cè)诖祟I(lǐng)域已經(jīng)擁有經(jīng)驗(yàn)和用戶了。到了1996年時(shí)，我們便發(fā)布了第一款DLP產(chǎn)品。

    當(dāng)時(shí)所用的是什么樣的投影機(jī)？

    Hornbeck：1994年時(shí)，一款傳統(tǒng)的投影機(jī)通常重達(dá)35~40磅，亮度相對(duì)較暗，價(jià)格約在15000~18000美元之間。因此，我們認(rèn)為應(yīng)該能夠明顯地改變投影機(jī)的重量、亮度和成本。前投式投影便成為我們?cè)缙诔晒Φ拿卦E。我們從1996年時(shí)只有InFocus、nView和Proxima等三家用戶開(kāi)始，現(xiàn)在已經(jīng)有了75家客戶了。此外，當(dāng)時(shí)愛(ài)普生的一款LCD投影機(jī)是我們的主要競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。

    當(dāng)時(shí)因?yàn)槿狈κ煜?shù)位光學(xué)投影機(jī)設(shè)計(jì)的工程師，我們便為OEM提供完整的數(shù)位光學(xué)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(gè)或3個(gè)DMD、1個(gè)用于影像處理和格式化的ASIC，以及一個(gè)驅(qū)動(dòng)DMD的波形晶片所組成。 DLP Composer軟體可協(xié)助OEM設(shè)計(jì)定制化的投影機(jī)。

    如今，DLP擁有約50%的全球前投式投影機(jī)市場(chǎng)，提供350多種產(chǎn)品。在顯示器尺寸超過(guò)40英寸的1080p HDTV技術(shù)中，DLP已經(jīng)是市場(chǎng)上的領(lǐng)導(dǎo)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(jī)后，更發(fā)表了第一款用于大型場(chǎng)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?yàn)樗転榱炼葮O高的投影燈減輕熱負(fù)載。我們開(kāi)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(xué)學(xué)院’頒發(fā)Emmys獎(jiǎng)的由來(lái)。 TI獲得DLP TV方面的獎(jiǎng)項(xiàng)，而我則是由于發(fā)明數(shù)位微型反射鏡而獲獎(jiǎng)。

    下一步的計(jì)劃是什么呢？

    Hornbeck：TI已開(kāi)始采用DLP劇院投影技術(shù)的3D版本來(lái)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(jī)等手持設(shè)備上將影像投影至相對(duì)較大的顯示器上。

    至于數(shù)位微型反射鏡的未來(lái)，你大可恣意想像任何可能的應(yīng)用。我們正針對(duì)可能會(huì)用到DLP系統(tǒng)的各種物件開(kāi)發(fā)參考設(shè)計(jì)，不久的將來(lái)，我們便會(huì)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(guó)Case Western Reserve大學(xué)固態(tài)物理學(xué)博士

    1998年獲美國(guó)電視藝術(shù)科學(xué)學(xué)院頒發(fā)Emmy獎(jiǎng)－杰出工程技術(shù)開(kāi)發(fā)，擁有電荷耦合元件(CCD)、紅外線影像感測(cè)器，以及DMD技術(shù)等30多項(xiàng)專利。