DMD芯片是什么

什么是DMD？ [DMD（Digital Micromirror Device）]–是数字微镜器件简称。

一、数字微反射镜ＤＭＤ简介

DMD(数字微镜器件)是由美国德州仪器公司（ＴＩ）的一名科学家Ｌ.Ｊ.Hornbeck于1982年发明的，是一种电子输入、光学输出的微机电系统（optical micro-electrical-mechanical system (MEMS) ），它由许多小型铝制反射镜面组成，每个镜面被称为一个像素。每个镜面能够绕每一个正方向小镜子（或者叫一个像素）的对角线偏转±12°，即DMD的微镜有三种状态+12°，0°，-12°。

DMD(数字微镜器件)是一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列。DMD是由许多小型铝制反射镜面构成的,镜片的多少有显示分辨率决定，一个小镜片对应一个像素。DMD的反射率高,对比度大。将物体成像于DMD器件上,通过DMD器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率,再将每个像点依次扫描到探测器上,实现白天对可见光条件下物体的高速被动式点扫描成像。加入适当光源还可实现主动式扫描成像。

DMD基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成，通过控制微镜片绕固定（轭）的旋转和时域响应（决定光线的反射角度和停滞时间）来决定成像图形和其特性。它是一种新型、全数字化的平面显示器件，应用MEMS的工艺将反射微镜阵列和CMOS SRAM集成在同一块芯片上。

微反射镜单元的尺寸大约是16μm或14μm，通常由多达50至200万的微镜构成阵列来使用，微镜间隙为1微米，反射镜以铝铰链为旋转轴旋转10-12度，可反复使用1兆次。寿命试验表明，按照通常的使用方式可以使用10万小时。它的开闭控制是通过反射镜停止时起阻尼作用的弹簧触点靠近反射镜，逐渐降低附加电压的方式来实现的。DMD芯片已升级，原芯片上的微镜尺寸16μm，翻转角度为10°，现在的DMD微镜尺寸为14μm，翻转12°，支持4K分辨率的芯片也已经成型，芯片大小约1.38寸。

由于数字微反射镜装置的优越性能，同时基于DMD的成像系统设备应用非常广泛，激发了工商界和科技界的兴趣。数字微反射镜装置（DMD）可以根据图像的颜色范围进行整面的光刻，也可以根据图像的像素大小进行分块曝光。其工作过程是光、机、电一体化的协调配合过程。

二、数字微反射镜ＤＭＤ芯片的结构

其主要结构分为四层：

第一层是微反射镜单元，处于悬浮状态，形状为正方形，由铝合金制成，在偏转时较为轻便。

第二层是连接微镜单元的扭臂梁—铰链，以及微镜的寻址电极。

第三层为金属层，包括扭臂梁的寻址电极、偏置/复位电极、以及微镜单元的着陆平台（限制镜面偏转±12°或±10°）。

第四层为静态存储器（RAM），其采用大规模集成电路标准CMOS工艺。

三、DMD芯片的工作原理

DMD是原理比较简单的空间光调制器，一般情况下，附属设备及系统结构越紧凑，就更加能体现出高效率及高度的稳定性。此外，由于DMD是由成熟的大规模集成电路技术制造，所以DMD具有优良的商品化条件。巧妙的构思与集成电路的制造工艺很好的结合，使得DMD在分辨率、对比度、亮度、灰阶、色保真度及响应时间等主要性能参数上都达到了目前显示技术的非常高的水平。  每一个微反射镜单元都是一个独立的个体，并且可以翻转不同的角度（正或者负），因此通过微镜单元所反射的光线可以呈现不同的角度，具体表现为其对应的数字图像像素的亮暗程度 。

DMD工作时，在反射镜上加负偏置电压，其中一个寻址电极上加+5V（数字1），另一个寻址电极接地（数字0），这样使微镜与微镜的寻址电极、扭臂梁与扭臂梁的寻址电极之间就形成一个静电场，从而产生一个静电力矩，使微反射镜单元绕扭臂梁旋转，直到接触到“着陆平台”为止。由于“着陆平台”的限制，使镜面的偏转角度保持固定值（±12°或±10°），并且在DMD整体上能够表现出很好的一致性。在扭矩的作用下，微反射镜单元将一直锁定于该位置上，直至复位信号出现为止。微反射镜单元的上半部分与下半部分处于平行的关系，且不稳定，一旦加上偏置电压，微反射镜单元和扭臂梁会以很快的速度（微秒级）偏离平衡位置。

每一个微反射镜单元有三个稳态：+12°或+10°（开）、0°（无信号）、-12°或-10°（关）。当给微反射镜一个信号“1”，其偏转+12度或+10度，被反射的光刚好沿光轴方向通过投影物镜成像在屏上，形成一个亮的像素。当反射镜偏离平衡位置-12度或-10度时（信号“0”），反射的光束将不能通过投影透镜，因此呈现一个暗的像素。控制信号二进制的“1”，“0”状态，分别对应微镜的“开”“关”两个状态。当给定的图形数据控制信号序列被写入CMOS电路时，通过DMD对入射光进行调制，图形就可以显示于像面上。

四、DMD芯片的封装方式

与所有半导体一样，DMD芯片亦需要进行封装，以保护脆弱的内核（反射镜）和提供散热条件。BGA（Ball Grid Array，球形栅格阵列封装）、PGA（Pin Grid Array，针状栅格阵列封装、LGA（Land Grid Array，栅格阵列封装）都是一些常见的封装形式，TI在DMD芯片上选择了CPU常用的PGA封装，因此外观上与奔腾3、Althon XP这些CPU非常相似，不过实际上仍存在很大不同。

（1）DMD正面

与CPU不同，位于DMD芯片内核的不是刻蚀电路而是海量的微反射镜，这些微反射镜脆弱的同时又得面向光线，因此在微反射镜表面是覆盖了一整块高透光率、高硬度的光学玻璃作为保护。

（2）DMD背面

DMD芯片散热设计注定是一件麻烦的事情，其工作时自身会把电能转化为热量，同时一部分入射光线亦会转换为热量，要保护微反射镜不怕热量和减少光路扭曲破坏必须进行制冷，可是受到微反射镜工作原理决定，不可能在微反射镜表面贴上散热片，只能把热量传递到背面再进行制冷。从DMD芯片背面图可以看到，大量针脚布局在基板的外围，用于供电与传输信号；芯片中间空旷是微反射镜阵列的背面，辅以加速热量传递的金属片，DMD芯片正是基于这个区域的将热量传递出去的。

DMD芯片封装制造是一层层向上叠加的，最高可达上百次叠加。每一次的叠加，都必须和前一次完美重叠，重叠误差要求是1~2纳米。

DMD芯片封装完毕，最终要安装到DLP投影机中，为此TI设计了一个非常牢固但亦非常复杂的固定装置，而散热片（Heat Sink）则是位于DMD芯片的后方，热量从DMD芯片背面透过导热贴（Thermal Pad）传递到散热片上。

五、DMD芯片的应用

（1）光开关

DMD是光开关的一种，利用旋转反射镜实现光开关的开合，开闭时间稍长，为微秒量级。作用过程十分简单，光从光纤中出来，射向DMD的反射镜片，DMD打开的时候，光可经过对称光路进入到另一端光纤；当DMD关闭的时候，即DMD的反射镜产生一个小的旋转，光经过反射后，无法进入对称的另一端，也就达到了光开关关闭的效果。

（2）扫描成像

DMD(数字微镜器件)是一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列。DMD是由许多小型铝制反射镜面构成的,镜片的多少由显示分辨率决定,一个小镜片对应一个像素。相对于TFT-LCD(液晶)的透射率低,对比度小,DMD的反射率高,对比度大。将物体成像于DMD器件上,通过DMD器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率,再将每个像点依次扫描到探测器上,实现白天对可见光条件下物体的高速被动式点扫描成像。加入适当光源还可实现主动式扫描成像。

（3）DLP投影技术

DLP技术原理简介：每一个 DLP 芯片组的核心都有一个高反射铝微镜阵列，即数字微镜器件 (DMD)，开发人员可借助该系统执行高速、高效及可靠的空间光调制。数字微镜器件 (DMD) 是 DLP 技术的核心部分，DMD是光学半导体模块，允许以数字方式对光进行处理和投影。结合光源和光学器件，DMD可以实现在速度、精度和效率上远超过其它空间光调制方式的二进制图形。DMD 的每个镜片都可分别围绕铰接斜轴进行 +/- 12° 的偏转。镜片的偏转（正极和负极）是通过更改底层 CMOS 控制电路和镜片复位信号的二进制状态进行单独控制的，从而使其可以在 DLP 投影系统倾向光源（打开）或背离光源（关闭），在投影表面造成像素的或明或暗。

DLP技术应用广泛，包括医疗成像、光纤网络、生命科学、光谱分析、光学测量和无掩模光刻。还有，共焦距显微技术，全息数据存贮，结构照明，立体显示等。

目前其不仅应用于高清电视（HDTV）和数字投影显示（Digitial Projection Display）等，近几年其应用领域得到较大扩展，在光纤通信网络的路由器、衰减器和滤波器、数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、快速原型制造系统、物体三维轮廓测量仪、全息照相、数字图像处理联合变换相关器、光学神经网络、光刻、显微系统中的数字可变光阑以及空间成像光谱等领域都得到了成功的应用。