光栅平动式光调制器机电特性与测试系统研究

论文摘要

显示器件正向多元化方向发展,随着MEMS技术的成熟,基于MEMS技术面向高清显示的光调制器成为世界各国研发的热点,并以其优异的性能成为带动下一代显示产业发展的一个重要分支。但国内对这类器件研究起步较晚,且受到国外专利限制,因此开发一种具有自主知识产权的基于MEMS技术,面向高清显示的光调制器及其核心显示控制电路具有重要的意义。光栅平动式光调制器(GMLM)正是在上述背景下,由重庆大学提出的一种基于MEMS面向高清投影显示的光调制器方案。本文建立了GMLM的机电模型,对其机电特性进行了理论分析与有限元仿真,并通过结构参数分析对器件结构进行优化。设计了器件驱动电路,并在此基础上进行了16×16阵列的控制测试系统和显示测试系统的设计与相关实验研究。本文主要研究工作如下:①根据微结构的力学理论,建立了GMLM的电力学模型。对GMLM的工作电压、吸合电压、固有频率等机电特性进行了理论分析,并采用CoventorWare软件进行有限元仿真,得到比较吻合的结果。器件性能指标如下:工作电压4.3V,吸合电压5V,共振频率0.47MHz,响应速度为40μs。经对加工样片的初步测试表明,器件工作电压高于20V,响应速度约为80μs。②通过对器件工作电压、吸合电压、共振频率、有效衍射面积、残余应力等方面进行了结构参数分析,得到了提高有效衍射面积与降低残余应力影响的优化方案。仿真和Veeco干涉轮廓仪测试表明,优化后结构与原结构相比有效衍射面积可以提高为原来3倍左右,残余应力造成的器件弯曲降到原来的5%左右。③针对GMLM的机电特性,设计了器件内外驱动电路。器件内部由CMOS电路控制其充放电,配合外部驱动的寻址电路实现GMLM面阵的扫描驱动。④根据对加工器件相关参数测试的需要,采用SOPC技术进行了控制测试系统的设计以及相关实验的研究。该系统采用RS232作为与PC的通讯接口,以FPGA为信息处理硬件平台,定制Nios核作为处理器,用C语言编写应用程序。该系统能够实时在线无接触的对器件进行光学、电学耦合,以及工作频率等多个参数的测试。⑤同时为满足测试器件显示性能的需要,设计了显示测试系统。该系统以USB2.0作为与PC的通讯接口,通过VHDL硬件描述语言在FPGA内构建了USB控制模块、数据格式转换模块,灰度调制模块与扫描控制模块。该系统可以实现16×16阵列在60fps的帧频下逐行扫描显示由PC上发送的16级灰度数字图像数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 基于MEMS 的高清显示技术
• 1.1.1 MEMS 概念
• 1.1.2 高清显示技术
• 1.2 基于MEMS 的显示器件的国内外现状
• 1.2.1 数字微镜DMD
• 1.2.2 薄膜微镜阵列TMA
• 1.2.3 光栅光阀GLV
• 1.2.4 现有技术对比
• 1.2.5 GMLM 显示方案
• 1.3 课题的研究目的、意义及其主要研究内容
• 1.3.1 课题的目的及意义
• 1.3.2 课题的研究内容
• 1.4 小结
• 2 GMLM 机电特性分析与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 GMLM 机电模型
• 2.2.1 机电模型及弹性系数
• 2.2.2 模型一
• 2.2.3 模型二
• 2.2.4 模型对比
• 2.3 GMLM 的特性参数分析
• 2.3.1 静态特性分析
• 2.3.2 动态特性分析
• 2.4 GMLM 的机电特性仿真分析
• 2.4.1 CoventorWare 仿真软件简介
• 2.4.2 仿真模型的建立
• 2.4.3 静态特性仿真
• 2.4.4 动态特性仿真
• 2.5 小结
• 3 GMLM 结构参数分析与优化
• 3.1 引言
• 3.2 工作电压分析与优化
• 3.3 开关速度分析优化
• 3.4 有效衍射面积及其平整度分析
• 3.5 残余应力对GMLM 的影响分析与优化
• 3.5.1 MEMS 中的残余应力
• 3.5.2 残余应力对GMLM 的影响分析
• 3.5.3 GMLM 残余应力影响优化
• 3.6 小结
• 4 GMLM 驱动与控制测试系统
• 4.1 引言
• 4.2 GMLM 的驱动电路的设计
• 4.2.1 扫描驱动原理
• 4.2.2 GMLM 内部驱动电路
• 4.2.3 GMLM 外围驱动电路
• 4.3 GMLM 的控制测试系统的总体设计
• 4.3.1 SOPC 技术及Quartus II 概述
• 4.3.2 GMLM 的控制测试系统总体方案
• 4.4 GMLM 控制测试系统的硬件设计
• 4.4.1 R5232 的硬件与传输原理概述
• 4.4.2 FPGA 片内控制处理单元
• 4.5 GMLM 控制测试系统的软件设计
• 4.5.1 WINDOWS 下串口客户端控制程序
• 4.5.2 测试应用程序设计
• 4.6 小结
• 5 GMLM 显示测试系统
• 5.1 引言
• 5.2 GMLM 的显示测试系统的总体设计
• 5.2.1 GMLM 面向高清显示控制系统设计
• 5.2.2 GMLM 显示测试系统总体方案
• 5.3 USB2.0 的传输控制单元设计与仿真
• 5.3.1 USB2.0 的硬件与传输原理概述
• 5.3.2 USB2.0 的传输控制单元硬件设计
• 5.3.3 USB2.0 的传输控制单元软件设计
• 5.3.4 USB 控制单元设计与仿真
• 5.4 数据格式转化电路的设计及仿真
• 5.4.1 数据格式转化电路工作原理
• 5.4.2 设计与仿真
• 5.5 灰度调制电路的设计及仿真
• 5.5.1 灰度显示原理
• 5.5.2 优化灰度显示方案
• 5.5.3 设计与仿真
• 5.6 扫描驱动电路的实现及仿真
• 5.6.1 扫描显示原理
• 5.6.2 设计与仿真
• 5.7 小结
• 6 器件加工与实验
• 6.1 引言
• 6.2 器件加工
• 6.2.1 第一次加工的器件
• 6.2.2 第二次加工的器件
• 6.2.3 第三次加工的器件
• 6.3 器件相关实验
• 6.3.1 工作电压实验
• 6.3.2 动态响应实验
• 6.4 驱动电路实验
• 6.5 控制测试系统实验
• 6.6 显示测试系统实验
• 6.7 小结
• 7 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录