运行环境对 DMD 铰链记忆寿命的影响

本文将介绍不同运行环境如何改善数字微镜芯片(DMD)的铰链记忆寿命。我们还将探讨参数测量与物理属性之间的关系。本文所讨论的具体运行环境包括 (1) 开/关占空比的影响,(2) 非工作期间张弛效应的影响,以及(3) 铰链记忆寿命性能的可逆性。

正如参考文献 [1] 中已经讨论过的那样,温度对 DMD 的铰链记忆寿命起决定性作用。然而,也存在一些其它的因素,在特定的投影显示应用中,影响显示器件的使用寿命。我们要探讨的具体因素如下:

1. 占空比或像素开关时间比

2. 非工作期间的张弛

3. 应用反模式甚至更低的占空比实现铰链记忆的可逆性

我们还将讨论静态降落电压 (landing voltage) 测试参数与测量得出的平态 (flat

state) 倾角之间的关系,以说明测试参数与材料的物理属性之间的变化关系。

此前的论文 [1] [2] 介绍了铰链记忆故障机制,在最坏的占空比和持续运行条件下其平均寿命为 10万小时。本文就正常运行条件、正常加断电循环和视频信号占空比的情况下,给出改进的寿命估算。本文讨论的铰链记忆故障与其它任何半导体的故障机制一样,并说明我们已经解决了该问题。本文证明了铰链记忆是可逆的,不像 CRT 荧光耗尽或

LCD变暗那样造成永久性老化。本文也指出,铰链记忆故障可由屏幕保护型工作模式完全消除。最后,在标称占空比和非连续使用条件下本文估算的使用寿命超过 225,000 小时。这说明 DMD 等MEMS件可提供比其它同类竞争显示技术更长的使用寿命。

铰链记忆

铰链记忆是一组铰链扭力导致的镜面 (mirror) 倾斜 [1]。该倾斜称作残留(residual) 倾角,如果像素向一侧偏转多于另外一侧,则会产生残留倾角。像素偏转会扭转支持镜面的铰链。如果长时间保持这种条件工作,则铰链产生一组扭力,无法恢复至水平状态,而是向像素偏转最多的一侧倾斜。如果残留倾角过大,则像素将不再偏转向另外一侧,这就会导致铰链记忆故障。我们采用以下参数测定铰链记忆程度:

• Vb50 偏移百分比:像素偏转在倾斜方向上所需的镜面直流偏置电压相对于像素偏转所

  需的初始电压的变化率。

• Vb50 +/-:偏转至正负两侧所需的直流偏置电压差 [1]。

• 残留倾角:镜面相对于水平状态倾斜的角度。

像素落在一侧相对于另一侧所耗的时间会影响器件铰链记忆效应的增加。在测试铰链记忆时,占空比表示为正(升侧)偏转次数与负(降侧)偏转次数之比。铰链记忆寿命的典型测试采用 5/95 占空比,这时像素在偏向正侧 5 次,而偏向负侧 95 次。在整个测试过程中重复此占空比。由于像素转换时间与像素偏转的时间相比较短,该占空比反映像素在一种偏转状态与另一种偏转状态的时间比。对于5/95测试而言,测试中像素在负偏转状态的时间占 95%,而在正偏转状态则仅占 5%。

在测试中使用不同的占空比将生成不同的铰链记忆效应。一组 16个器件在同一晶片上以三种不同的占空比在 65C 上运行。晶片的一部分运行占空比为 25/75(或者说正侧偏转 25 次对负侧偏转 75 次),晶片的另一部分运行占空比为 15/85 ,晶片的第三部分则运行占空比为 5/95。我们还用 50/50 的占空比进行了其它许多测试(偏向在正侧与负侧的次数相等),铰链记忆效应并没有累加。在整个测试过程的数个点上根据所测量的 Vb50 偏移百分比参数 [1] 计算铰链记忆效应,这就得到了图 1 所示的测试结果关系。每个数据点都以参与测试的 16 个器件每个部分的 14000 个镜面的平均性能为基础。50/50的占空比在测试期间不增加铰链记忆效应。不均衡的占空比会增加铰链记忆效应。增加的铰链记忆效应与镜面在正负偏转状态所耗时间成正比。

累积的铰链记忆效应与占空比成线性正比。25/75 占空比的铰链记忆效应约为 5/95 占空比的一半,而 15/85 占空比的铰链记忆效应则刚好在 5/95 和 25/75 占空比的铰链记忆效应之间。从最初 168 小时到最后2387小时的整个测试过程读取的数据看,上述比率都保持恒定。下面的公式给出了量化上述影响的方法。

占空比因子＝

其中:Abs = 绝对值函数

P = 正偏转次数

M = 负偏转次数

利用上述公式,如果用低于 5/95 的占空比测试铰链记忆效应,那么我们就可估算出这种情况对使用寿命的影响。举例来说,典型的电视应用主要用于显示占空比为 20/80 的视频广播。这时的占空比因子为 0.6。占空比为 5/95 时,占空比因子为 0.9。因此 20/80 占空比的电视应用的铰链记忆效应仅仅相当于 5/95 占空比的66% (0.6/0.9),这样估计使用寿命将为 5/95 占空比的 1.5倍 (1/0.66)。电视应用的使用环境相对较好,通常 DMD 的工作温度约为 40°C。使用参考文献 [1]的使用寿命与温度关系图,

在温度为 40°C 5 /95 占空比最坏情况下的估计使用寿命超过 10 万小时。如果将此转化为普通电视20/80的占空比,就可得到超过15万小时的连续工作时间。我们在下一部分将探讨不工作状态对铰链记忆效应的影响,以便更好地估算投影系统不连续工作情况下典型应用的使用寿命。

铰链记忆效应累积后,如果 DMD 处于不工作状态,则铰链记忆效应将在关闭时间内减小或张弛。这里有两种影响:一是几秒钟内会出现很快的或短期的张弛,一是较长期的影响。

不工作状态对铰链记忆的影响最初是在铰链记忆效应温度测试中被发现。由于有更重要的器件需要测试,我们将DMD器件的测试暂停,在数周之后再重新投入测试。器件在移除前进行测试,数周后恢复测试时再次对器件进行测试。测试中的铰链记忆效应曲线不连续,这与器件从测试中移除的时间相对应。我们提出了许多理论来解释这种现象,很可能是铰链的应力在器件移除期间发生张弛,从而导致测量到的铰链记忆效应降低。更多的测试用来进一步探讨并量化这种现象。

探讨长时间不工作对铰链记忆影响的第一组测试包括以 5/95 的占空比在 85°C 的温度下连续运行两周(322 小时),对其进行测试,随后将器件搁置,然后在下一周内每天进行重新测试。图 2 显示了按 Vb50 偏移百分比测量得到的铰链记忆累积图。图中每条线各自对应一个器件。这些器件在两周后的测试中偏移了 15% 至 23% 不等。不同器件间的差异大多可通过使用寿命测试的温度控制变化来解释。我们观察到,器件在室温下仅搁置一天不工作就向下偏移约2%。随后几天的测量并未显示出铰链应力的进一步张弛。本测试证实了铰链记忆效应会在不工作期间降低,并表面在器件不连续工作的典型应用中,铰链记忆的使用寿命比前述 [1] 连续工作情况下要长得多。

在第二组测试中, 我们密切监视器件断电后最初几分钟的铰链记忆张弛效应。

我们采用一种相对较新的光学技术来测量短期张弛效应,如果需要,该方法也可用于长期测量。镜面偏转最初以特殊的空间模式进行,即大约一半向正侧偏转,另一半向负侧偏转。镜面在偏转的状态下长时间(数日)保持静止,并加热使晶片温度升高至约 105°C,以大幅度地提高铰链记忆的累积速度。这样的高温显然不是DMD 器件实际的工作情况(典型为 45 至 55° C),但是很高的温度可以加速铰链记忆效应,对测试来讲是必需的。镜面以这种方式累加铰链记忆候,我们降低温度,并且断电(“放电”),使其张弛返回水平状态。然后,我们采用激光散射的光学技术来测量镜面断电后的倾角。激光将同时照亮许多镜面,这样测量结果就是数千镜面倾斜的“总体平均”测量值。随着镜面张弛,我们可分析散射衍射图的空间亮度分布,从而确定镜面的倾角。通过 CCD 摄像机得到散射衍射模式图,我们可以查询随镜面张驰的时间推移不断变化的亮度模式。

Time (in ON hours)CCD 摄像机连接到装有取帧器 (framegrabber) 卡的 PC,PC 通过编程获得随着镜面张驰而生成的一系列"定时"衍射图序列。根据预计的镜面“指数”张弛,PC程序可以指数级留出采样时间间隔。我们随后用定制编写的影像分析软件处理上述影像就可得到残留倾角随时间变化的“轨迹”。

图3标出了不同温度下的结果。显然,温度升高加快了张弛现象,温度升高至105°C尤其明显,此时活化能影响开始明显增强。65°C曲线与85°C曲线几乎重合,这是由于实验的人为因素造成的。我们在105°C时进行镜面偏转,等足够长的时间让铰链记忆效应积累,然后将温度降低至所需值(65°C、85°C、22°C等),随后释放镜面,摄像机定时记录下影像,这样就得到了上述曲线。滞后效应使得很难用相同量的累积铰链记忆效应开始每次测量,原因是温度、镜面释放前的偏转时间量以及器件先前偏转/释放循环的历史情况等差异很大[1]。我们希望将来进行更可控的实验,从而可更准确、进一步量化地做出张弛温度曲线。

我们还进行进一步测试量化上述影响,以用于寿命预测。三组器件在 85°C 温度、5/95 占空比的条件下采用不同的工作时间与非工作时间比运行。第一组指定为控制测试,连续工作；第二组通过编程,将器件与加热器接通一小时,然后断开一小时,并无限重复该循环；第三组接通一小时,关闭两小时。图4:显示了每组器件所得的平均铰链记忆累加效应。

从图4可以看出,接通关闭各一小时并不断循环的一组器件 800 小时后积累的铰链记忆效应约为连续工作器件的三分之二。有趣的是,接通一小时关闭两小时的器件组与接通一小时关闭一小时的器件组的铰链记忆效应相同。考虑到此前讨论过的快速张弛效应,这也就不难理解了。关闭时间多长并不重要,重要的只是关闭时间必须长到足以完成张弛。

上述信息可以让我们加深认识,对实际运行条件下的铰链记忆寿命做出更好的估算。对于投影系统而言,这表面只须每天将系统关闭一段时间就可以显著提高投影系统的寿命。考虑到此前提到的电视应用,家用电视不太可能一直工作。对大多数应用而言,电视在24小时中总会关闭一段时间,而且关闭时间应足以让铰链完成张弛,从而使铰链记忆累积效应降低至少三分之一,而估算寿命将超过 22.5 万工作小时。

可逆性

工作在相反模式甚至更低占空比模式下,累加的铰链效应可以大大的减少或消除。

我们通过下面的测试来研究上述效应。一组器件在 65°C 交替工作在占空比为 5/95 与相反的 95/5 模式下,测试间隔为一周。图 5 显示了所得的铰链记忆累积效应随时间的变化图。该测试用 Vb50 +/参数来跟踪铰链记忆累积的方向。像素主要偏向正侧(95/5) 时,Vb50 +/- 为正；像素主要偏向负侧 (5/95) 时,Vb50 +/- 为负 [1]。

从图5可以看出,第一周以 5/95 的占空比工作积累的铰链记忆完全被第二周以相反的95/5 占空比工作积累的铰链记忆所消除。上述循环重复三次。在每次循环中,Vb50 +/- 都返回先前的峰值,不会发生滞后或幅值衰减。这一结果相当重要,因为它说明铰链记忆并非永久老化。其它同类竞争技术的寿命则会受到永久故障机制的限制。对于阴极射线管,阴极会烧坏,荧光发生永久性老化[3],液晶显示器总是因暴露于光和温度下而永久性损坏 [4],而基于 DLP(tm)技术的显示则只有铰链记忆效应一个寿命限制因素,但它又是完全可逆的,只须施加相反模式或接近 0 的占空比系数 (正负偏转数量相等)即可。对那些需要长寿命和连续工作的系统应用而言,我们可以添加类似屏幕保护程序的模式,这就可以完全消除铰链记忆效应,从而消除故障机制。

测试参数与平态倾角的关系

我们研究Vb50 偏移百分比参数与残留倾角的关系,看看静态直流偏置电压测试参数与像素状态物理测量的相关性如何。

我们采用经过不同温度铰链记忆寿命测试的一组器件。这些器件有着不同的铰链记忆累积效应,会给出电气和光学测量技术的各种相关性。

测量残留倾角的光学方法采用激光照明、时域激励 (excitation) 镜面以及 DMD 用离散光电检测器散射的周期性衍射级 (diffraction order) 进行时间域探询。

所得的数据显示在图6中,表明电压测量结果与平态倾角成线性关系,且倾角和铰链记忆效应可由电压测量结果得出,而不必进行复杂的光学测量。

寿命估算

在引用 [1] 所提供的寿命估算基础上,图 7 显示了 5/95 占空比、更典型的 20/80 占空比以及非连续操作 20/80 占空比情况下最坏的平均寿命估算。带有张弛曲线的 20/80占空比为典型的电视操作环境提供了更为现实的平均寿命估算,与 5/95 连续操作的占空比相比,将估算寿命延长了 225%。

结论

以前的研究 [1] [2] 对最坏运行条件下的寿命进行了估算。这些研究表明,DMD 的预期寿命在标准运行条件下可显著延长。正常工作状态下的占空比可改善铰链记忆寿命。非连续的工作状态由于使铰链张弛而能够延长估算寿命,系数为1.5。我们还指出,与同类其他竞争显示技术的不可逆故障机制不同,铰链记忆效应是可逆的,不会造成永久老化。最后,我们在典型的 40°C 电视使用条件下估算寿命,在较低的 20/80 占空比情况下为 15 万小时,而在不连续工作情况下则超过 225,000 小时。

参考文献

[1] A.B. Sontheimer,“数字微镜芯片 (DMD) 铰链记忆寿命可靠性建模”,2002 IEEE国际可靠性物理研讨会文件。IEEE 目录号:02CH37320,得克萨斯州达拉斯,2002 年 4 月 7 日至11 日,第 118-121 页。

[2] M.R. Douglass,“数字微镜芯片 (DMD(tm)) 的寿命评估与独特的故障机制”1998 国际可靠性文件。IEEE 目录号:98CH36173,发表于第 36 届国际可靠性物理研讨会年度大会(内华达州里诺市,1998 年 3 月 31 日,4 月 1 日至 2 日)第 9-16 页。

[3] R. Cappels 与 T. La,“因屏幕老化造成的 CRT 显示器白度变化的预测及补偿”,IS&T/SPIE 彩色成像大会:独立于器件的色彩、彩色硬拷贝和图像艺术 IV,SPIE 文件 1999 年 1 月第 3648 卷。

[4] S. Mohri, T. Matsuo,“用于 LCD 投影的高度耐用的染色偏光镜”, 国际光学工程学会 (SPIE) 文件,1995 年 4 月第 2407 卷,第 62-72 页。

作者:A.B. Sontheimer 和 D.J. Mehrl

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