Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Самарин Александр
В настоящее время технология MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) широко используется для производства интегральных акселерометров, микродвигателей и актуаторов, селективных фильтров для биотехнологий, а также модуляторов света. Дисплейные элементы MEMS представляют собой массивы модуляторов света, которые могут работать на просвет или отражение. До недавнего времени практическое применение имели в основном модуляторы отражающего типа. В последние годы было разработано несколько перспективных базовых технологий MEMS просветного типа, на базе которых можно создавать дисплейные системы как для сектора стационарных (дисплеи мониторов, телевизоров), так и для сектора портативных устройств.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Самарин Александр
МОЭМС — доступные технологии генерации и сканирования оптической информации
Lcos-микродисплеи и их применение
Современные дисплеи: перспективы миниатюризации
МОЭМС — доступные технологии генерации и сканирования оптической информации
Внешний контраст для OLED дисплеев
Как работает АКСЕЛЕРОМЕТР в смартфоне. Что такое MEMS?
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Перспективные дисплейные mems-технологии просветного типа»
М EMS-модуляторы имеют подвижные или деформируемые отражающие поверхности, которые расположены на кремниевой или стеклянной подложке. Схема управления может находиться на этой же подложке. Управляющие сигналы позволяют перемещать или деформировать отражающие поверхности в соответствии с подаваемой цифровой информацией. Массивы модуляторов могут быть как двумерными (матричная структура), так и одномерными (линейка модуляторов). В настоящее время известно несколько типов дисплейных MEMS-технологий:
• DMD (Digital Micromirror Device) — разработка фирмы Texas Instruments;
• TMA (Thin-Film Micromirror Array) — разработка фирмы Daewoo Electronics;
• GLV (Grating Light Valve) — лицензия принадлежит фирме SONY, а производит модуляторы фирма Silicon Light Machines;
• IMOD (Interferometric Modulator) — технология разработана фирмой Iridigm Display Corp. в 1996 году, в 2004 году технология была куплена компанией Qualcomm;
технологические процессы формирования MEMS-структур:
• напыление пленки кремния или поликремния;
• напыление пленки металла;
• селективное травление кремния;
• окисление кремния до двуокиси кремния;
• селективное травление двуокиси кремния;
• селективное травление металлических пленок. Как можно видеть, в данной технологии используются те же материалы и базовые процессы, что и для производства любых микросхем.
Перспективные дисплейные MEMS-технологии
HUAWEI Vision S — ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
В настоящее время технология MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) широко используется для производства интегральных акселерометров, микродвигателей и актуаторов, селективных фильтров для биотехнологий, а также модуляторов света. Дисплейные элементы MEMS представляют собой массивы модуляторов света, которые могут работать на просвет или отражение. До недавнего времени практическое применение имели в основном модуляторы отражающего типа. В последние годы было разработано несколько перспективных базовых технологий MEMS просветного типа, на базе которых можно создавать дисплейные системы как для сектора стационарных (мониторов, телевизоров), так и для сектора портативных устройств.
• IMODS (Integrated MEMS Optical Display System) — технология разработана фирмой Microsoft Research;
• MOEMS (Micro-Opto-Electromechanical Systems) — дисплейная технология, разработанная итальянским концерном FIAT. Для работы одних модуляторов требуется
сложная и дорогостоящая оптика (DMD, TMA и GLT), а также цветоразделительные фильтры; для других (iMOD) — не нужно никакой оптики и даже цветоразделительных фильтров. В модуляторах отражающего типа используются массивы микрозеркал (или отражающих микроконсолей), а в модуляторах пропускающего типа применяются массивы микрозатворов, блокирующих или отражающих световой поток. Исключение составляет технология IMOD, в которой используется селективное поглощение света за счет интерференции.
В технологии DMD от Texas Instruments коллимированный световой поток отклоняется массивом микрозеркал либо в плоскость объектива (сторона зрителя), либо в плоскость абсорбента. В результате модуляции часть светового потока направляется на световой абсорбент (поглотитель). При абсолютно черном экране весь световой поток от источника поглощается абсорбентом. Дисплеи отражательного типа в настоящее время применяются в стационарных системах с мощным источником света. Данная технология никогда и не рассматривалась как перспективная для применения в секторе устройств с батарейным питанием, поскольку обладает большой энергоемкостью.
Основной недостаток технологий MEMS отражательно типа — зависимость дисплейных параметров от яркости и положения
внешнего источника света, а также низкая эффективность использования энергии светового потока.
MEMS-технологии просветного типа имеют значительно больший потенциал как по дисплейным характеристикам, так и по сфере применения. Данный класс модуляторов получил название TMOS (Transmissive Microoptical Switches).
При использовании просветной схемы появляется возможность рекуперировать световой поток, и за счет этого значительно повысить эффективность использования световой энергии. Отраженный от зеркальных плоскостей затворов свет возвращается в объем светораспределителя (light guide) и за счет сфокусированного отражения от зеркальных внутренних стенок светораспределителя имеет возможность попасть в плоскость открытых в данный момент затворов, тем самым повышая яркость пикселя.
Возможности просветной технологии за счет более эффективного использования энергии позволяют создавать компактные и экономичные дисплейные модули для мобильной аппаратуры. И даже конкурировать с ЖК-дисплеями.
Разработка просветных MEMS-технологий производится многими фирмами. Наиболее известны достижения нескольких из них: Microsoft Research, Pictronix, UniPixel Displays Inc.
Разработки TMOS фирмы Microsoft Research
Впервые просветной технологией MEMS начала заниматься лаборатория Microsoft Research лет восемь назад. Первоначально
предполагалась разработать базовые дисплейные модули низкого разрешения до 50 dpi для сборки большеформатных проекционных экранов. Технология была названа IMODS (Integrated MEMS Optical Display System). На рис. 1 представлена структура TMOS дисплейной системы Microsoft Research.
В центре рис. 1 показан фрагмент поверхности матричного TMOS-модулятора. Светлые квадраты — апертуры модуляторов. Прямоугольные области матрицы — актуаторы, электростатические приводы затворов. Принцип работы модуляторов показан на рис. 2.
Коллимированный световой поток направляется в плоскость массива микролинз, которые распределяют и фокусируют поток в плоскость апертур микрозатворов. Управляемый сигналами напряжения массив микрозатворов сформирован на кремниевой пластине. Свет от источника подсветки проходит через сквозные отверстия (световые туннели), вытравленные в зоне апертуры затвора. На рис.
1 видно, что рабочая область затвора (апертура) значительно меньше области, занимаемой актуатором. Для эффективной модуляции светового потока требуется использование фокусирующей оптики. В качестве источника света применяются мощные светодиоды. Цветное изображение на экране получается за счет цветокадровой модуляции.
Конструкция и работа микрозатвора
Ключевыми элементами технологии являются: электростатический актуатор, световой затвор и световой сквозной туннель в кремниевой подложке. На рис. 3 показана топология блока актуатора с микрозатвором типа «зигзаг».
Единичный модулятор состоит из емкостного актуатора, двух крышек затвора и оптического канала. Зигзагообразная конструкция актуатора (рис. 4) представляет систему из неподвижного электрода (рамка с «зубами» на снимке) и двух подвижных зигзагообразных электрода. «Зубы» подвижных электродов вписаны во впадины между «зубами» неподвижной рамки.
Каждый из подвижных электродов является консолью, которая может смещаться в горизонтальной плоскости. На крайних концах консолей сформированы две крышки светового затвора. Крышки находятся со смешением по вертикали таким образом, чтобы обеспечить блокировку светового потока. Изначально подвижные электроды сдвинуты к середине и крышки затвора перекрывают зону светового канала.
В процессе разработки ключевых элементов требовалось разработать дешевую и надежную технологию с высокой степенью по-
Рис. 3. Топология MEMS-затвора «зигзаг»
вторяемости характеристик, обеспечить высокое быстродействие затвора, а также обеспечить минимальное энергопотребление привода при работе. Очевидно, что энергия зависит от величины смещения подвижных элементов и их массы. Величина необходимого смещения элементов затвора зависит от апертуры перекрываемого им светового канала (рис. 5). Поэтому был выбран минимально возможный диаметр светового туннеля, который можно было протравить в кремниевой подложке толщиной 180 мкм — около 20 мкм.
Апертурное отношение модулятора при этом получалось очень малым, но эта беда компенсировалась использованием фокусирующей оптики. Для работы актуатора был
Оптический канал в кремниевой подложке
Рис. 5. Оптическая схема TMOS-микрозатвора
выбран наиболее оптимальный с точки зрения энергетики резонансный режим, при котором активно используется энергия возвратного движения консолей актуатора. С уменьшением величины смещения уменьшилась и амплитуда рабочего напряжения, необходимая для движения консолей актуатора.
В результате многолетней работы по оптимизации конструкции и технологии была разработана конструкция типа «зигзаг». Конструкция МБМ8-актуатора похожа на конструкцию МБМв-датчиков движения. Для актуаторов энергия электрического поля расходуется на перемещение подвижных электродов.
Световой поток перекрывается эффективным электромеханическим затвором с узким световым каналом, что обеспечивает очень высокий контраст. Высокая скорость работы затворов обеспечивает работу в режиме цвет-кадровой модуляции и позволяет формировать цветное изображение. Данный световой затвор может работать и в аналоговом режиме.
Кстати, микрозеркальные модуляторы не имеют такой способности. Для формирования полутонов в них требуется повышать кадровую развертку, чтобы обеспечить модуляцию яркости пикселей по нескольким кадрам. А это лишний расход энергии на управление. Больше частота движения механических элементов — больше расход энергии. Лишняя энергия при этом расходуется и на драйверы.
Минимальные требования к быстродействию затвора формулируются исходя из того, что при кадровой развертке 60 Гц при цифровом методе управления (ШИМ) нужно обеспечить 256 градаций в монохромном режиме. Отсюда получаем 60×256 = 15 360 Гц.
Основные параметры ТМ08-затвора:
• площадь актуатора 47×160 мкм;
• диаметр окна светового туннеля — 20 мкм;
• толщина подложки — 180 мкм;
• напряжение управления затвором — 38 В;
• износостойкость — не менее 7,6х109 циклов.
Конструкция светового затвора
Поликремний используется как несущий элемент двух крышек затвора, а пленка золота блокирует свет. Крышки затворов сформированы на кончиках подвижных электродов. При отсутствии напряжения крышки сдвинуты с нахлестом 2 мкм, блокируя прохождение света (рис. 6).
При подаче напряжения на электроды конденсатора, образованного системой подвижных и неподвижных электродов, подвижные электроды начнут смещаться (раздвигаться) в сторону зубьев рамки. Затворные крышки разъезжаются в стороны на 10 мкм и открывают световой канал. Элементы фиксаторов, расположенные в определенном порядке, не только ограничивают движение подвиж-
ных зубьев обеих консолей. Движение консолей происходит таким образом, что «зубья» поочередно будут достигать упоров. При этом будет обязательно происходить деформация на изгиб консолей. Топология упорных элементов позволяет задать траекторию движения зигзагообразных консолей с максимальным размахом на кончиках в колебательном режиме. Это обеспечивает минимальные энергетические затраты актуатора и оптимальный кинематический режим.
Выбранная топология электродов позволяет уменьшить величину эффективных управляющих напряжений, чтобы обеспечить согласование со стандартной КМОП-техно-логией, которая используется в производстве драйверов ЖК-дисплеев (35-40 В). Токи потребления небольшие. Для уменьшения
Слой фоторезиста Пленка золота
Пленка оксида кремния
Пленка нитрида кремния Кремниевая подложка
Слой фоторезиста Пленка золота
Пленка оксида кремния
Слой фоторезиста Пленка золота
Источник: cyberleninka.ru
MEMS-дисплеи готовы к массовому производству
Sharp и Pixtronix планируют начать производство дисплеев с использованием технологии MEMS. Сообщается, что это может произойти уже во второй половине 2014 года на производственной площадке Yonago, префектуры Тоттори.
Дисплеи с использованием MEMS (Micro Electro Mechanical System) — одно из основных направлений разработки Sharp на данный момент. В них вместо люминофоров, возбуждаемых ультрафиолетовыми лучами в газовой смеси, превращаемой в плазму (как в плазменных панелях), модуляция трех компонентов цвета RGB реализована с помощью смещающихся жалюзи микроскопических размеров.
МЭМС-дисплеи характеризуются сниженной стоимостью производства по сравнению с традиционными жидкокристаллическими. Кроме этого, по заявлениям представителей компании, контрастность подобных экранов стремится к бесконечности, так как жалюзи могут быть закрыты полностью. За счет высокой скорости переключения возможно повышение разрядность кодирования цвета.
Новая технология позволит увеличить время автономной работы и яркость панелей. Один из наиболее интересных вариантов применения новых экранов — замена традиционного зеркала заднего вида в автомобилях на систему MEMS-экрана и видеокамеры. Это станет возможно за счет повышенной надежности устройства и качества изображения — предполагается, что они смогут потягаться с зеркалами и бумажными фотографиями. Кроме этого, можно ожидать появление новых типов домашних телевизоров высшего класса. Подобная технология позволила бы Sharp конкурировать с новыми последними разработками корейских компаний, которые прочно обосновались в лидерах телевизионного рынка.
Источник: stereo.ru
Необычные уязвимости обычных датчиков
Голосовых помощников можно обмануть с помощью лазера, а датчик движения — с помощью музыки.
Igor Kuksov
То, что теперь у каждого цифрового устройства есть куча «органов чувств», помогающих ему взаимодействовать с физическим миром, — это, с одной стороны, удобно. Но с другой — создает новые, порой весьма неожиданные угрозы. Дело в том, что эти «органы чувств» хоть и близки к человеческим функционально, но по конструкции и возможностям сильно от них отличаются. И об этом не всегда задумываются при разработке электроники.
Взять, к примеру, ультразвуковые команды: человек их не слышит, а голосовые помощники — не только слышат, но и исполняют. Впрочем, взлом ассистента с помощью звука, хоть и неуловимого для человеческого уха, — это хотя бы как-то можно понять и предугадать. А вот как насчет… света?
Как услышать свет: MEMS-микрофоны и их причуды
Оказывается, если преобразовать голосовую команду в мерцание лазера и направить луч на микрофон, то ассистент благополучно распознает и выполнит запрос. Это выяснили исследователи из Университета электрокоммуникаций японского города Тёфу и Мичиганского университета. Они смогли передать команды гаджетам на расстояние в несколько десятков метров. Единственное условие — между источником лазерного луча и микрофоном устройства должна быть прямая видимость.
Исследователи опробовали лазерную атаку на умных колонках, смартфонах, планшетах и других устройствах, работающих под управлением Amazon Alexa, Apple Siri и Ассистента Google. Везде трюк сработал, различалось лишь расстояние, на котором микрофон улавливал сигнал — от 5 до 110 метров. Теоретически дальность атаки может быть и больше, если мощность лазера и характеристики объектива позволяют.
В видео ниже (в качестве примера того, что можно сделать с помощью данного метода) исследователи, сидя в соседнем здании, заставляют умную колонку Google Home открыть гараж.
Почему MEMS-микрофоны реагируют на свет
Теперь немного о том, как это работает. Лазерная атака возможна из-за особенностей устройства микрофонов в гаджетах. Большинство современных микрофонов, встроенных в умную электронику, относится к микроэлектромеханическим системам (сокращенно — МЭМС или MEMS). Это миниатюрные устройства, в которых электронные и механические компоненты объединены в одну замысловатую конструкцию.
MEMS-устройства массово изготавливают по тем же технологиям, что и компьютерные чипы, в основном из того же материала — кремния, и с той же степенью миниатюризации: размеры отдельных деталей этих устройств измеряются в микрометрах или даже нанометрах. При этом стоят MEMS-устройства невероятно дешево, так что уже успели вытеснить большинство других вариантов конструкции датчиков и прочих миниатюрных приспособлений, которые работают на стыке электроники и физического мира.
Основная чувствительная часть MEMS-микрофона — это тончайшая мембрана, примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Эта мембрана колеблется под воздействием звуковых волн. В результате пространство между ней и неподвижной частью датчика то увеличивается, то уменьшается. При этом мембрана и неподвижное основание датчика вместе образуют конденсатор, так что при изменении расстояния между ними меняется емкость. Эти изменения несложно измерить и записать, а потом преобразовать в звукозапись.
Луч света тоже может создавать волны, вызывающие колебания чувствительной мембраны. Так называемый фотоакустический эффект известен еще с конца XIX века. Тогда шотландский ученый Александр Грейам Белл (да-да, тот самый, который запатентовал телефон) изобрел фотофон — прибор, позволяющий обмениваться звуковыми сообщениями с помощью луча света на расстоянии в несколько сотен метров.
Чаще всего фотоакустический эффект возникает из-за того, что свет нагревает то, на что попадает. При нагревании предметы расширяются и становятся больше, а когда остывают — уменьшаются до исходных размеров. То есть под воздействием мерцающего лазерного луча они будут меняться в размере. Вы, скорее всего, этого не заметите, но MEMS-датчик — микроскопический и восприимчив даже к микроскопическому воздействию. Поэтому подобные колебания он почувствует и честно преобразует в звукозапись, которая потом будет распознана как голосовая команда.
Музыка движения: чувствительность MEMS-акселерометра к звуку
Технология MEMS используется не только в микрофонах, но и во множестве других датчиков. Взять, к примеру, датчики движения — гироскопы и акселерометры. Они есть в кардиостимуляторах, подушках безопасности в автомобилях и много где еще. Именно они отвечают за поворот экрана в смартфонах и планшетах, и их тоже можно обмануть необычным способом.
Пару лет назад исследователи из университетов Мичигана и Южной Каролины провели эксперимент, подчинив акселерометры, которые в норме должны реагировать на движение… звуку.
Почему MEMS-акселерометры реагируют на звук
А дело тут вот в чем. Датчик определяет, что устройство движется, по смещению микроскопического груза. Звуковые волны могут вызывать колебания груза, заставляя акселерометр думать, что он перемещается в пространстве. Исследователи испытали два десятка распространенных моделей акселерометров, и три четверти из них оказались восприимчивы к звуку.
Так, в рамках исследования ученые заставили фитнес-браслет Fitbit считать липовые шаги, а смартфон — рулить радиоуправляемой машинкой, лежа на столе. Обычно игрушка реагирует на наклон гаджета, но исследователи обманули датчик смартфона при помощи музыки, которую включили на нем же.
Надышались гелием: iPhone в отключке
Не все причуды MEMS находят в лабораторных условиях. Сисадмины одной из американских клиник столкнулись со странным явлением во время установки нового аппарата МРТ: сотрудники медцентра начали жаловаться на неработающие телефоны. Расследование показало, что из строя вышли только устройства Apple, в то время как гаджеты других производителей (а также компьютеры и медицинские аппараты) работали как ни в чем не бывало.
Виновником происшествия оказался сжиженный гелий, который применяется для охлаждения рабочих узлов томографа. При монтаже аппарата часть гелия вытекла, испарилась и распространилась по клинике — и даже малой концентрации газа хватило для того, чтобы айфоны начали впадать в летаргический сон.
Почему iPhone перестают работать из-за гелия
В отличие от прочей техники в клинике, в которой микроэлектромеханические устройства тоже используются, но не критичны для системы, в Apple Watch и айфонах начиная с шестого они отвечают за работу тактового генератора — по сути, часов, которыми пользуется вся более умная электроника. А без точного времени устройства жить не могут.
Внутри MEMS-генераторов, которые оказались виновниками отказа айфонов, создается вакуум, необходимый для их нормальной работы. Чтобы этот вакуум ничто не заполнило, при производстве чипы наглухо «запечатывают» тонким слоем кремния. Однако молекулы гелия настолько малы, что проникают сквозь кристаллическую решетку кремния и мешают нормальной работе содержащегося внутри чипа микроскопического резонатора. В результате электроника сходит с ума, айфон выключается и перестает на что-либо реагировать.
О том, что гаджеты Apple не переносят гелий, в компании знают и даже предупреждают в руководстве пользователя: «Если iPhone находится в условиях с высокой концентрацией промышленных химикатов, в том числе вблизи испарившихся сжиженных газов, таких как гелий, возможно повреждение iPhone или нарушение его функциональности». Однако подобные ситуации так редки, что о них мало кто задумывается.
Впрочем, «продышавшись», большинство пострадавших устройств пришло в норму (правда, на это требуется довольно много времени — до нескольких дней). А производитель MEMS-датчиков, которые используются в iPhone, уверяет, что более новые поколения устройств невосприимчивы к подобным газам.
Берегите свои устройства
Пока инциденты с датчиками — скорее исключение, чем правило. Более того, производители постоянно улучшают свои продукты, а исследователи предлагают варианты защиты от смоделированных атак. Но на всякий случай рекомендуем вам держать свои гаджеты подальше от окон, баллонов с гелием и прочей химией.
Источник: www.kaspersky.ru