微光机电系统不断增长的应用潜力

来源:贸泽电子
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在考虑面向光学市场的半导体元件时,我们大多数人想到的或许是由砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)制成的LED,或者可能是基于CMOS的图像传感器。然而,微机电系统(MEMS)器件在某些应用中的价值变得越来越明显,该领域的领先制造商不断创新,意味着微光机电系统(MOEMS)技术的时代已经悄然到来。

电信和数据中心领域带动了对微机械(micro-machined)解决方案(集成了CMOS信号处理器件)的需求,其目的是用来进行切换和控制任务。早期阶段,在电信行业中得到广泛应用的一项技术是用于互连目的的光纤精确对准,通过套管(ferrules)或蚀刻在硅衬底表面上的V形槽来实现。通过精确蚀刻,可以实施选择性干涉,从而能够在波分复用(WDM)系统中实现滤除和分离信道。由于基于硅片的微组件其机电特性可以调节,这种滤波器不需要有固定频率,通过调节大约几十纳米的位移足以将滤波器调谐到有效光纤通信所需的波长。通常,滤波器光栅被分为相应的固定和移动两部分,移动部分具有悬臂(cantilever)结构,并且随着位于其正下方电路中的电荷增多和减少而相应地以静电(electrostatically)方式移动。较大规模的悬臂已经整合到光开关器件,其中镜子被确定在特定位置,能够将从源通道发出的光反射到分配的接收器通道。

德州仪器(TI)开发的数字光投影仪(DLP)产品在MOEMS基础上实现了更高层次的发展,在过去十年左右的时间里这种技术获得市场的欢迎。每个DLP产品都包含多个微镜(尺寸不到人头发直径的五分之一),它们排列组成笛卡尔(Cartesian)网格结构。同样是采用悬臂机构,这些镜子中的每一个都可以通过静电吸引和排斥而旋转。在一个方向上调整镜子的角度,可以将光源反射到目标表面上的特定XY轴坐标位置。将光源转移到另一个方向上则意味着光线反射到吸收表面,而不是目标上,这样就可有效地关闭当时镜子所代表的'像素'。为了呈现不同的亮度,镜子可以从一种状态快速切换到另一种状态,开启时间与关闭时间的比率决定了所产生的亮度。

DLP在影剧院中实现电影的数字播放方面发挥了不可或缺的作用,并且是家庭中越来越普遍的投影电视的基础。DLP技术在家用环境中的应用范围并不止于此。通过利用DLP技术,有源显示器也可以内置在那些缺少布置传统显示器表面区域的家庭自动化设备中。例如,通过使用超短投影光学系统,安全系统或恒温器等相关的控制面板(通常具有非常有限的空间进行用户交互)能够利用附近的任何墙壁空间以充当人机界面。协同工作的摄像头以及合适的手势识别软件能够理解用户的手部动作,并激活所需的控制功能。通过由此实现的更先进人机界面,可以提供更好的用户体验。

基于DLP的系统能够在出现问题时通知用户。例如,当设置家庭安全警报时,显示器可以显示所有门窗的当前状态,如果其中一个没有关好,会通知警告用户。如果DLP安装在厨房工作台面上方,则可以在食物准备期间提供帮助。食谱和烹饪说明能够显示在用户面前,他们就可以获得所需要的信息,这种获得信息的方式非常方便,不会分散他们太多的工作注意力。相比之下,如果要查看参考烹饪书则很麻烦,这是由于为了保持洁净,这些书往往放置得离实际烹调区域很远。洗碗机和洗衣机可以直接在地板上显示其运行状态的详细信息,因此,这些家用设备的控制面板不必包含那些能够破坏厨房器具美观的显示器。可以通过摄像头或红外(IR)接近传感器,在靠近这些设备的地方通过简单手势(例如手的挥动),就可以打开或关闭投影。

此外,DLP技术还可以应用在3D打印机领域,设备能够操控形成目标物体过程中所用的激光。DLP在虚拟现实(VR)环境中也有许多新的潜在应用,它们可以提供头盔(headsets)所需的高分辨率、低延迟图像,并可在汽车平视显示器(HUD)中扮演类似的角色。

为了满足DLP技术开始展现的多种应用需求,TI现在提供广泛的设备分辨率范围,从用于简单人机界面的640x360到高端智能家居所需的1920x1080,其中许多设备都支持IntelliBright等算法,可以自动调整亮度、对比度和其他参数,以适应不同的环境光照条件和投影表面等需求。

MOEMS可能只占整个光电市场相对较小的比例,但它在光的操控方面所表现出的应用潜力正变得越来越明显。家庭自动化领域已经开始收获这项技术带来的回报,在未来几年,可穿戴设备、医疗保健以及与物联网(IoT)相关的各个领域肯定会有更多商机出现。
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