1、什么是MEMS？

　　MEMS全稱MicroElectroMechanicalSystems，即微電子機械系統(tǒng)，其組成包括微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型架構(gòu)及相應(yīng)的微型處理電路。它是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。

　　MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。

　　第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀之交，微光學器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領(lǐng)域。

　　圖1、MEMS系統(tǒng)

　　2.MEMS顯示技術(shù)發(fā)展歷程

　　MEMS和微光學技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)各種微型光學器件結(jié)構(gòu)，這種微型光學器件具有體積小、重量輕、耗能低、慣性小、易于集成等特點，利用MEMS微光學器件可以很好地實現(xiàn)光線的調(diào)制和操控。因此，基于MEMS的顯示技術(shù)自上世紀80年代以來得到長足的發(fā)展，Ti公司基于DMD器件的DLP投影儀已經(jīng)征服世界，SONY公司在GLV技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的了大型的GxL激光投影儀，而在中小尺寸顯示屏領(lǐng)域，則主要是由高通全資子公司高通光電在進行推動。

　　2004年高通公司通過并購Iridigm獲得iMoD技術(shù)，并在2008年國際信息顯示大會上推出了全球第一款iMoD彩色顯示屏。Mirasol顯示屏以干涉測量調(diào)制（iMoD）的反射技術(shù)為基礎(chǔ)，可以利用環(huán)境光線而不需要背光進行顯示，其功耗自然被大大降低。反射型Mirasol顯示器還可根據(jù)周圍光照條件自動調(diào)節(jié)，使用戶在幾乎所有環(huán)境下查看內(nèi)容，包括明亮的陽光下。iMoD元件雖然簡單，卻可以提供調(diào)制、色彩選擇以及內(nèi)存功能，取代了傳統(tǒng)有源矩陣、彩色濾光片和偏光片的作用。

　　2.1．Mirasol顯示屏的色彩生成機理

　　從根本上說，Mirasol顯示屏是一個光諧振空穴，類似于法布里--珀羅標準具，每個iMoD像素包含紅、綠、藍3種顏色小像素，每個小像素的大小在10μm~100μm左右。每個子像素點包含獨立的可變形反光膜與薄膜堆疊層（每層薄膜可充當光諧振空穴的一個鏡面），二者均裝于透明基板上。而玻璃基板和反射膜之間的空隙則構(gòu)成了空氣薄膜，以利于光線在其中反射。根據(jù)空穴的高度，反光膜所反射之特定波長的光線與薄膜結(jié)構(gòu)的反射光線之間存在微小相差，基于相差，某些波長將發(fā)生相長干涉，另一些則發(fā)生相消干涉，利干涉原理的色彩生成，對光線的使用效率要比傳統(tǒng)彩色濾光片高很多。通過改變反光膜狀態(tài)以調(diào)整空穴的高度，Mirasol顯示屏的圖像可在彩色與黑色之間進行切換，對薄膜堆疊層施加高電壓后，靜電力將使反光膜變?yōu)樗轄顟B(tài)，光穴的變化導致光線在人眼不可見的紫外線波長處發(fā)生相長干涉，因此屏幕顯示黑色。對薄膜堆疊層施加高低壓后接通電壓時，反射層會下降，光穴高度增大，當光穴高度為160nm時，iMoD顯示綠色；300nm時，iMoD顯示藍色；400nm時顯示紅色（如下圖2）。

　　圖2、iMoD子像素工作原理

　　從本質(zhì)上看，iMoD元件是1位設(shè)備，也就是說，它可被驅(qū)動到暗態(tài)（全黑）或亮態(tài)（彩色）。為了顯示灰度圖像，可以利用空間抖動或瞬時抖動，空間抖動是將已有子像素分成若干更小的可尋址元件，然后分別驅(qū)動單個元件已得到不同的灰度。此種方式需要每個元件額外具有一個行驅(qū)動器。另一方式是瞬時抖動，可用于獲得額外的灰度等級。空間抖動與瞬時抖動個有利弊，空間抖動功耗較小，因為顯示器無需像瞬時抖動那樣頻繁刷新。由于功耗與刷新頻率成正比，所以瞬時抖動最好用于對功耗不太敏感的情形，但瞬時抖動排布元件較少，并能提供更高的填充系數(shù)。因此將兩種方式結(jié)合起來使用以境加灰度級別數(shù)目。圖4表示一個iMoD像素結(jié)構(gòu)，由紅、綠、藍3個子像素組成，每個子像素分成多個可尋址單元。第二代的iMoD器件在填充系數(shù)、光學性能和電-機行為等方面進行了改進，在各子像素之間設(shè)立了支撐柱，可以給予所有未被尋址的單元以機構(gòu)支撐，使填充系數(shù)超過了90%。

　　Mirasol顯示屏另一個顯著優(yōu)勢就是又穩(wěn)態(tài)特性，只有在像素顏色需要改變時才需要消耗電力，所以它的功耗極低，也可以說Mirasol顯示屏非常適合于需要長時間顯示固定黑白或彩色內(nèi)容的電子閱讀器。Mirasol顯示屏的雙穩(wěn)態(tài)性來自于制造工藝的機電屬性所固有的滯后效應(yīng)。該特性源于反光膜的線性機械回復力與所施加電場的非線性力所固有的不平衡性，類似于有源矩陣顯示器中的TFT元件。

　　圖3、第二代iMoD像素結(jié)構(gòu)

　　僅管與傳統(tǒng)LCD和OLED顯示相比，Mirasol顯示屏具有響應(yīng)時間快、可讀性強，功耗低、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)點，但由于其生產(chǎn)良率過低，組裝性能差，據(jù)高通透露，Mirasol顯示屏在OEM生產(chǎn)時良率僅40%-50%。雖然經(jīng)過幾年努力，發(fā)展仍然十分緩慢。故2012年7月，高通宣布停止Mirasol顯示屏的生產(chǎn)并開始將技術(shù)授權(quán)給一些企業(yè)使用。

　　2.2．TMOS顯示屏工作原理

　　在高通努力發(fā)展Mirasol顯示屏時，一家名叫Pixtronix的美國顯示技術(shù)公司則在開發(fā)另一種基于時序多工光學快門（TMOS）的MEMS顯示技術(shù)，Pixtronix公司與日立展開合作并于2010年10月發(fā)布一款基于此技術(shù)的MEMS顯示器。與傳統(tǒng)液晶顯示器相比，耗電量僅為1/2。該技術(shù)的核心是像素設(shè)計，利用MEMS快門來控制顯示器的光通量。

　　TMOS顯示器由負責像素處理的帶薄膜晶體管的光導管和一個被稱為Opcuityactivelayer的微光薄膜構(gòu)成（見圖4）。光導管是顯示器的核心光轉(zhuǎn)換媒介，由RGBLED發(fā)出的非平行光通過其入射，并在其中保持隨機多模TIR傳播，直到發(fā)散成為活動像素。

　　圖4、TMOS系統(tǒng)的基本原理

　　Opcuityactivelayer包括一個基本底膜，表面的MEMS結(jié)構(gòu)和一個導線。對于單個像素，TMOS光閥結(jié)構(gòu)就是一個可變電容。光導中一個傳導平面和活躍層中的另一個傳導平面相互平行，并保有一個間隙。當像素電容產(chǎn)生電壓差的時候，靜電引力使兩個傳導平面結(jié)合到一起（見圖5）?？刂屏斯鈱О宓某浞烹娋湍苁箚蝹€像素穿過活性薄膜。TMOS中的時序多工是一種顯示器的圖像構(gòu)成方式。對于一個全彩色圖形來說，紅、綠和藍光依次注入，由MEMS快門決定哪種光會在何時被傳送。這個過程經(jīng)常被當稱為場序色彩生成。該方法具有許多好處。第一，它與現(xiàn)在的構(gòu)造基礎(chǔ)完全兼容，不需顯示制造商重建生產(chǎn)車間。第二、它不需要在結(jié)構(gòu)上疊加濾光片、偏光片等光學薄膜，從而大大增加了光強。

　　圖5、快門控制光線傳導

　　快門開關(guān)的速度和位置可以控制背光源的透光量，從而確定屏幕顯示的顏色和強度。當快門關(guān)閉，沒有光源通過，呈現(xiàn)出黑色像素，當快門完全打開的時候，我們看到的則是白色像素。MEMS顯示屏通過平衡大量快門的速度、其開關(guān)的位置和各種顏色背光源之間的關(guān)系，高度還原屏幕的色彩和亮度。

　　2011年11月，致力于發(fā)展MEMS顯示技術(shù)的高通宣布收購Pixtronix公司，隨后又宣布入股夏普取得IGZO技術(shù)。而夏普所掌握的氧化銦鎵鋅（IGZO）技術(shù)，是一種薄膜晶體管液晶顯示屏（TFT-LCD）技術(shù)。它將銦、鎵、鋅與氧結(jié)晶化，實現(xiàn)原子之間獨特、細致的排列方式。與傳統(tǒng)LCD的非晶硅相比，新的結(jié)晶構(gòu)造中電子遷移率提高了20--50倍。因此，采用IGZO技術(shù)MEMS快門開關(guān)速度將會得到顯著提高，畫面顯示也更加細膩。但MEMS屏幕也不是沒有缺點。就像DLP投影會產(chǎn)生“彩虹效應(yīng)（rainboweffect）”那樣，當你搖頭看它時，MEMS屏幕也會產(chǎn)生類似那樣的效果。

　　3．MEMS顯示屏商用進程

　　MEMS顯示技術(shù)商用速度目前進展十分緩慢，IGZO+MEMS技術(shù)只有夏普和高通在推動發(fā)展，2014年在SID展會上成功發(fā)布一款7英寸MEMS屏幕后，并無太大進展。而另一科技巨頭蘋果也在悄然布局MEMS技術(shù)，蘋果在2011年開始開發(fā)MEMS顯示技術(shù)，并且申請了一種與LCDOLED一起使用的混合屏幕技術(shù)專利，2015年4月份又通過臺積電的渠道，獲得了新竹科學園區(qū)管轄的龍?zhí)犊茖W園區(qū)原正崴集團（Foxlink）旗下廣達工廠，設(shè)立美商電子股份有限公司臺灣分公司，利用原來廣達和高通合作的Mirasol顯示屏生產(chǎn)線來研發(fā)新型MEMS顯示技術(shù)。

　　MEMS顯示技術(shù)在生產(chǎn)上屬于一種基于先進半導體的芯片制程技術(shù)，在顯示驅(qū)動上屬于精密的電子調(diào)制系統(tǒng)控制軟件。雖然高通在技術(shù)原型的基礎(chǔ)上已經(jīng)開發(fā)成熟，但由于其固定資產(chǎn)投資、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)等軟、硬件支持方面受限制十分嚴重。