从CMOS到DMD 发明家漫谈技术开发历程

    固态物理学家、并担任德州仪器(TI)公司研究员的Larry Hornbeck由于了发明数位微型反射镜元件(DMD)而荣获Emmy技术工程奖。 DMD是TI公司用于投影显示器之数位光学处理(DLP)核心的微机电系统(MEMS)。

    除了推动数位剧院、前投式投影机和HDTV的技术发展之外，Hornbeck的MEMS微型反射镜还实现了3D度量系统、可消除萤光取样点周围常因失焦而产生‘模糊影像’的共轭焦(confocal)显微镜，以及采用3D而非仅2D写入资料的全像储存系统。

    当TI在1977年着手开发MEMS时，您是否正专注于光学处理等特殊应用的研究？

    Hornbeck：不仅是在1977年，在更早之前，我们就已经对以MEMS来调整光感到兴趣了。当时我从Case Western大学获得固态物理学博士学位后，才在TI公司工作没多少年。但由于TI获得了美国国防部(DOD)一项透过可变形微型反射镜开发空间光学调变器的合约，因此我们很早就展开MEMS研究。 DOD打算将这项类比技术用于光学运算方面。

    我想，即使MEMS的研究才刚展开，你们就必须发明所需的制造技术。

    Hornbeck：在1981年时，MEMS意味着采用体微加工(bulk micromachining)的单晶矽，这使得元件的制造非常昂贵。然而，随着一些大学展开更具经济效益的表面微加工(surface micromachining)多晶矽试验，这种元件已成为目前制作MEMS的传统方法。

    随着微型反射镜的成功，TI是否计划为MEMS建立一个专用制造厂？

    Hornbeck：我们从未曾需要专用的制造厂，因为我们的MEMS制造能够相容于传统的CMOS制程。我们先完成所有电晶体和用于电晶体互连的金属层，然后采用低温制程将MEMS放在完成的CMOS晶片上。

    也就是说，你们先完成整个晶片的制造，然后预留最后可增加MEMS的区域吗？

    Hornbeck：这种方法与其他MEMS制造方法全然不同，我相信TI目前仍是采用这种方法的唯一一家公司。具体实现步骤是为机械单元选用铝合金材料，并以传统光阻作为牺牲空间。所有工作都在200℃以下完成，因此在晶片上增加MEMS时不会影响金属化制程或电晶体，也不会影响已经完成的CMOS电路。这种方法至今已经形成了我们制造MEMS微型反射镜的标准基础，但在当时却与其他制造方法截然不同。

    对MEMS供应商来说，最主要的目标是能像他们连结电路一样，在相同的CMOS晶片上无缝地整合MEMS结构。整体来看，我认为TI是由于在CMOS晶片上整合了MEMS结构，因此从一开始就处于领先地位。

    Hornbeck：这是我们得以成就DLP所依据的主要支柱之一。

    但起初你们就打算制作类比微型反射镜吗？

    Hornbeck：是的，我们努力了好多年的时间，试图利用2400面呈线性排列的类比微型反射镜，来取得足够的一致性和光学效率，以便实现简单的静电印刷技术。但直到1986年，我们都未能获得成功。不但无法取得一致性，我们的类比电压也高达30V，同时也缺乏足够的镜面反射角度；这些全都是因为我们试图制作类比微型反射镜之故。因此，相较于当时曾尝试过的各种方法，后来我们所作的第二个最大改变便是走向数位化。

    那时是什么时候呢？

    Hornbeck：我在1987年发明了数位微型反射镜元件并申请了专利，获得核准的专利就成为后来所有DMD架构的基础。接下来，我不再继续开发必须取决于静电吸引力和弯曲恢复力之间精确平衡的类比MEMS微型反射镜，转而制作可在两个数位状态之间转动的微型反射镜。这种微型反射镜的触点可依照正反方向来停止微型反射镜。与缺乏停止控制功能的类比微型反射镜相较，这种类比技术更容易控制角度。

    采用数位化技术还有其他的好处吗？

    Hornbeck：当然。因此，透过可运作在双稳态模式的微型反射镜，我们可使用更低的工作电压，因为微型反射镜可被触发为任一种稳态。与类比微型反射镜相较，这种新型的数位架构可实现更大的旋转角度、更好的一致性和更低的工作电压。这也一直是我们在MEMS领域成功的基础。

    在你先前所提到的页面印刷应用中，也采用了数位设计技术吗？

    Hornbeck：事实上，第一个DMD的商用产品是机票印表机。当初用于列印机票的撞击式印表机非常成功，但后来旧式的红色复写纸逐渐改成单张票券。列印单张票券提高了速度，但我们的撞击式印表机已无法符合要求。为了保持市场占有率，我们决定采用更高速的静电印刷技术。 TI决定使用线性DMD－840 X 1阵列的微镜取代传统多边扫描器。首款产品便是1990年上市的DMD2000机票印表机。

    对于DMD来说，HDTV似乎是机票印表机的另一种延伸应用。是什么因素影响了TI公司朝向HDTV方向发展？

    Hornbeck：1989年，美国国防先进研究计划署(DARPA)展开了一项鼓励美国HDTV技术发展的研究计划，并给予了TI公司数百万美元的资助来开发高解析DMD原型晶片。

    这项计划也推动了你们从列印转变到光学投影吗？

    Hornbeck：是啊，不过那只是开始。英国Rank公司旗下的Rank-Brimar公司当时正在寻找一种能在电影院和礼堂的大型萤幕上投影高解析电视的技术。他们在1989年投资并协助我们开发一款三晶片的DMD原型投影机。

    1991年，TI决定启动一项合资计画，并投入了大量人力物力，我们称这项计划为数位成像风险专案(DIVP)，其目标在于开发高解析电视。这在1991年时听起来有点奇怪，因为当时的电视是类比的，没有人在那样的层次上用MEMS来做任何东西，也没有任何现成产品、标准或任何相关事物。因此，我们决定要做的是数位高解析电视，但以投影机为起点，因为我们在此领域已经拥有经验和用户了。到了1996年时，我们便发布了第一款DLP产品。

    当时所用的是什么样的投影机？

    Hornbeck：1994年时，一款传统的投影机通常重达35~40磅，亮度相对较暗，价格约在15000~18000美元之间。因此，我们认为应该能够明显地改变投影机的重量、亮度和成本。前投式投影便成为我们早期成功的秘诀。我们从1996年时只有InFocus、nView和Proxima等三家用户开始，现在已经有了75家客户了。此外，当时爱普生的一款LCD投影机是我们的主要竞争产品。

    当时因为缺乏熟悉数位光学投影机设计的工程师，我们便为OEM提供完整的数位光学引擎。但现在我们能为OEM提供晶片组和软体。该晶片组由1个或3个DMD、1个用于影像处理和格式化的ASIC，以及一个驱动DMD的波形晶片所组成。 DLP Composer软体可协助OEM设计定制化的投影机。

    如今，DLP拥有约50%的全球前投式投影机市场，提供350多种产品。在显示器尺寸超过40英寸的1080p HDTV技术中，DLP已经是市场上的领导技术。

    TI如何跨入数位剧院方面的业务？

    Hornbeck：1997年，在我们推出商用投影机后，更发表了第一款用于大型场地的高亮度三晶片DLP系统。 DMD非常适合这一类的应用，因为它能为亮度极高的投影灯减轻热负载。我们开始向电影制片商推荐适合他们的技术，最终我们赢得了他们的信任。

    在此期间，由于该三晶片系统拥有卓越的色彩稳定性，使得电视广播公司也将它用在新闻主播背后的监视器，以及比赛节目中。这也是我和TI能获得‘电视艺术科学学院’颁发Emmys奖的由来。 TI获得DLP TV方面的奖项，而我则是由于发明数位微型反射镜而获奖。

    下一步的计划是什么呢？

    Hornbeck：TI已开始采用DLP剧院投影技术的3D版本来装配其数位剧院系统。另一方面，TI也展示了一款微型DLP晶片的原型，这种又小又便宜的晶片足以置入手持设备中，以增加投影功能，并能从手机等手持设备上将影像投影至相对较大的显示器上。

    至于数位微型反射镜的未来，你大可恣意想像任何可能的应用。我们正针对可能会用到DLP系统的各种物件开发参考设计，不久的将来，我们便会陆续发布有关新应用领域方面的重要资讯。

    Larry J. Hornbeck

    德州仪器(TI)公司数位影像研究员，美国Case Western Reserve大学固态物理学博士

    1998年获美国电视艺术科学学院颁发Emmy奖－杰出工程技术开发，拥有电荷耦合元件(CCD)、红外线影像感测器，以及DMD技术等30多项专利。