DMD窗口更換技術研究

元 雄，胡文剛，何永強，耿 達，唐德帥

(軍械工程學院電子與光學工程系，河北石家莊050003)

1 引言

基于數(shù)字微鏡器件(Digital micromirror device)的紅外場景仿真系統(tǒng)以其良好的仿真性能而成為各國專家研究的熱點，它具有圖像空間分辨率高、圖像刷新頻率快、圖像灰度等級可精確控制等優(yōu)點。系統(tǒng)的核心部件就是DMD，普通投影機使用的可見光DMD芯片無法滿足紅外場景仿真系統(tǒng)的需求，因此對DMD光學窗口更換的研究在提高系統(tǒng)的性能方面有重要的作用。本文將著重討論DMD窗口的更換問題，提出一種可行的DMD窗口更換方法。

2 DMD窗口更換問題

DMD是一種基于半導體制造技術，由高速數(shù)字式光反射開關陣列組成的器件，能精確地控制光的灰度等級［1］。它采用鋁濺射工藝在半導體硅片上形成微小的方形微鏡面，數(shù)以十萬計(例如1024×768像素)的微鏡片集成在1.5 cm×1 cm的面積內(nèi)，每個微鏡片的尺寸約為 10 μm ×10 μm［2］。

鑒于DMD微鏡片的易損壞性和DMD對不同波段的透過要求，DMD表面有一個光學保護窗口，光學窗口不僅能保護微鏡片不受空氣等外界影響，而且能起到使特定波長段光線透過的作用，市場上出售的DMD芯片主要應用于投影儀等儀器上，其光學窗口透過波段為紫外光、可見光及近紅外波段［3］，圖1 所示為型號0.7″XGA DMD 芯片。

圖1 型號0.7″XGA DMD實物圖Fig.1 Picture of 0.7″XGA DMD

將此型號DMD光學窗口拆下，采用FRONTILOptica100型紅外傅里葉光譜儀，測試此光學窗口的透過率曲線，如圖2所示，從圖2可以看出，在0.26～2.6 μm波段，此光學窗口的平均透過率為80%，最大透過率為95%以上，在2.6～5 μm，其平均透過率不足20%，對于中、長波等波段的紅外場景仿真應用，需要使用在中、長紅外波段透過率高的光學窗口，故原有窗口不能滿足中、長波紅外場景仿真系統(tǒng)的需求，必須對DMD芯片進行光學窗口的更換。

圖2 型號0.7″XGA DMD芯片原光學窗口透過率曲線Fig.2 Transmittance curve of initial 0.7″XGA DMD window

在對DMD光學窗口更換過程中，涉及以下三個過程:第一，紅外DMD光學窗口材料選擇;第二，DMD光學窗口封裝;第三，DMD芯片完好性測試。

3 紅外DMD光學窗口材料

根據(jù)紅外場景仿真系統(tǒng)的工作環(huán)境及使用條件，用于紅外DMD光學窗口材料必須滿足以下幾點條件［4］:

(1)高透過率:DMD芯片作為反射式元件，紅外DMD光學窗口在相應的紅外波段必須具有較高的透過率［5］;

(2)低折射率溫度系數(shù):光學材料的折射率隨溫度的變化率(dn/dt)即為折射率溫度系數(shù)，紅外光學材料的折射率溫度系數(shù)較一般的可見光學材料高，如普通BK7玻璃的可見光折射率溫度系數(shù)約為3×10－6/℃，鍺玻璃的折射率溫度系數(shù)約為3×10－3/℃，為普通玻璃的1000倍，紅外光窗工作在高溫下，必須能經(jīng)受高溫變化引起的折射率變化影響，所以在紅外波段的折射率溫度系數(shù)必須盡可能的小;

(3)較強抗腐蝕和氧化能力:DMD光學窗口有一面暴露在空氣中，必須對空氣中的各種氣體的腐蝕與氧化有很強的抵抗力，防止光窗腐蝕掉落影響成像質(zhì)量;

(4)其他條件:低熱膨脹系數(shù)、高硬度、高強度、高熔點等。

目前，國內(nèi)外使用較多的紅外光學材料有:Ge、Si、MgF2、CaF2、ZnS、ZnSe、藍寶石(Al2O3)等，這些材料的性質(zhì)各不相同，適用于不同波段的紅外場景仿真系統(tǒng)［6］。

(1)國產(chǎn)的鍺(Ge)單晶是一種良好的中、長波紅外透過材料，它的透射光譜范圍是3～12 μm，具有低色散、不潮解、機械強度高、導熱性好、不溶于水等特點，但是其折射率及其折射率系數(shù)較大，紅外波段透過不夠高，在未鍍膜之前透過率只有40%左右，適用于制造一般應用的棱鏡和透鏡等;硅(Si)單晶也是一種良好的短、中波紅外透過材料，它的透射光譜范圍為1.2～7 μm，它與鍺是同族的元素，其物理性能接近，具有硬度高、不溶于水、密度低等特點，其未鍍膜之前的中波紅外透過率比Ge高，同時，它在遠紅外波段30～300 μm范圍內(nèi)也具有良好的透光性能，這也是其他紅外材料所不具備的的特點，常用于3～5 μm中波紅外窗口和光學濾光片的基片的制作［5］。

(2)氟化鎂(MgF2)是目前使用廣泛的紅外窗口和整流罩材料，其透射光譜范圍為0.12～7 μm，其在3～5 μm中波紅外波段的透過率可達80%以上，是未鍍膜之前自身透過率最高的紅外材料，其抗化學腐蝕能力強，可用于抵抗化學腐蝕、機械沖擊和熱沖擊的窗口制造［6］;氟化鈣(CaF2)與氟化鎂是同族化合物，其化學性質(zhì)相近，具有良好的光學性能、其在0.25～7 μm有著絕佳的透過率，且折射率低，其在紫外波段、可見光波段、短、中紅外波段有著良好的透過率，且自身輻射率低，被廣泛地用作可見和中波紅外窗口、透鏡、棱鏡、準分子激光器晶體等材料［7］;

(3)硫化鋅(ZnS)有著較好的可見光和紅外光波透過率，其透射光譜范圍為0.4～12 μm，是少有的幾種覆蓋可見光、近紅外、中波紅外及長波紅外波段的窗口材料，且其軟化溫度為1500℃，耐大氣腐蝕性強，在航空和航天上有很廣泛的應用，通?？梢宰鳛榭梢姷介L波紅外的復合場景仿真系統(tǒng)的材料;硒化鋅(ZnSe)作為硫化鋅的同組化合物，其透射光譜范圍雖然比硫化鋅小，為3～12 μm，但其在這些波段的透過率比硫化鋅高，為良好的中、長波紅外場景仿真系統(tǒng)光學材料;

(4)藍寶石(Al2O3)具有超高表面硬度，其透過率波段為 0.15 ～5.5 μm，其高導熱性，對化學酸堿的抵抗性，能制成更薄的窗口片，適用于激光系統(tǒng)等要求嚴格的應用中。

表1 紅外材料性質(zhì)Tab.1 character of infrared material

作為紅外DMD的窗口材料，綜合考慮，適合中波紅外場景仿真系統(tǒng)的DMD窗口材料:硅、氟化鎂、氟化鈣;適合中、長波紅外的雙波段窗口材料:硒化鋅;適合可見光至長波紅外的多波段復合場景仿真系統(tǒng)窗口材料:硫化鋅。

4 DMD光學窗口的封裝

光學窗口的封裝一般是指將光窗與金屬或者其他材料進行封接，在封裝以后必須滿足將內(nèi)部器件隔離，免受大氣中氣體的氧化以及水蒸氣的腐蝕;DMD光學窗口封裝技術，除需滿足一般封裝技術的要求外，還必須考慮到DMD芯片的特性，DMD是一種精密的反射式空間光調(diào)制器，如型號為0.7″XGA DMD的DMD芯片微鏡片的尺寸約為12.6 μm×12.6 μm，如此小的微鏡片，任何微小的影響都會對其造成嚴重的損害，從而影響DMD芯片的性能，所以在DMD光學口窗封裝過程中，還必須考慮到如:溫度、壓力、振動、空氣氧化以及靜電等的影響。目前，根據(jù)實際要求，適合DMD光學窗口封裝技術一般有以下三種:

(1)粘合劑封裝:一般采用粘結劑將光窗玻璃和金屬框進行封接的技術叫做粘結劑封裝技術。其中又分為有機粘合劑封裝技術和其他粘合劑封裝技術，有機粘合劑是高分子聚合物材料，其中環(huán)氧樹脂是品種最繁多的合成樹脂，在電子封裝中的應用最為廣泛［8］。用粘合劑封裝光窗具有工藝簡便、成本較低等優(yōu)點，不過受粘合劑本身性能的限制，特別是長期在潮濕、高低溫、日照條件下，它們會因吸濕、開裂或老化而導致DMD器件可靠性下降。

(2)玻璃焊料封裝:玻璃焊料封裝與粘合劑封裝類似，就是利用玻璃焊料將玻璃光窗與金屬框連接在一起的低成本技術。由于金屬表面會形成氧化物層，而金屬基體表面的低價氧化物從化學鍵類型角度來看，它接近于金屬，因此能與金屬牢固地結合;而氧化程度較高的外表層氧化物的化學鍵與玻璃相似，故能與玻璃結合。玻璃焊料封接技術具有許多優(yōu)良的性能，如密封性好等，而廣泛用于電池、電子、汽車、軍工等行業(yè)［9］。但是玻璃焊料的化學抵抗力不強，在惡劣環(huán)境中，DMD使用壽命有限。

(3)高溫熔封:高溫熔封就是把光學窗口與金屬框在模具中固定好位置后加熱到光學窗口材料的軟化溫度以上，保溫一段時間，緩慢冷卻后自行形成良好的封接。此方法適用于光學窗口材料的軟化溫度比較低的情況下，是目前國內(nèi)外采用比較多的光窗封裝方法。但是由于在封裝過程中對光窗表面易造成損傷，容易增加成本，紅外 DMD成品率不高［8］。

5 DMD完好性檢測

當完成了DMD光學窗口的封裝后，如何快速準確對DMD完好性進行檢測將是DMD窗口更換技術中的重點［10］，本文將以對型號 0.7″XGA DMD的DMD芯片窗口更換為例，采用鍍增透膜的硅(Si)單晶為窗口材料，在充滿惰性氣體的實驗環(huán)境中，運用粘合劑封裝方法進行封裝;分別對封裝前后DMD芯片進行圖像演示，步驟如下:

(1)對硅窗口透過率進行測量:鍍增透膜的硅(Si)單晶為中波紅外場景仿真系統(tǒng)的絕佳材料，采用CARRY 5000型光柵光譜儀測量其透過率，其3～5 μm透過率曲線如圖3所示，平均透過率為85%，最大透過率為95%，滿足中波紅外場景仿真技術要求。

圖3 Si窗口透過率Fig.3 Transmittance curve of Si window

(2)對拆卸窗口的DMD芯片進行顯微鏡觀察并拍攝局部圖像:把拆卸了光學窗口的DMD芯片放在200倍顯微鏡下進行觀察并對DMD芯片拍攝局部圖像，對比原來已損壞的DMD芯片圖樣，得到如圖4所示圖片。

圖5 已損壞DMD芯片局部顯微圖Fig.5 micrograph of the part of broken DMD

由圖可知，所拆卸DMD芯片完好，視場內(nèi)沒有微鏡片壞點，通過觀察，整個DMD芯片的完好率達到99%以上。

(3)對未封裝光學窗口DMD芯片進行圖像顯示:將此DMD芯片用DMD驅(qū)動板驅(qū)動顯示圖像，所放映原圖分別為全黑、半黑半白以及麗娜人物圖片，如圖6～8所示，在DMD上顯示的圖片分別如圖9～11所示。

圖6 全黑Fig.6 black

圖7 半黑半白Fig.7 half black and half white

圖8 麗娜人物圖片F(xiàn)ig.8 lina

圖9 全黑Fig.9 black

圖10 半黑半白Fig.10 half black and half white

圖11 麗娜人物圖片F(xiàn)ig.11 lina

由圖可知，所拆卸窗口的DMD芯片顯示圖片信息良好，圖10是由于DMD驅(qū)動板的同步信號沒有調(diào)整好，與DMD芯片本身無關。

(4)對封裝Si光學窗口的DMD芯片進行圖像顯示:對 DMD芯片進行 Si窗口封裝，對封裝完DMD芯片用DMD驅(qū)動板進行圖片顯示，所用圖片仍然為上述3圖，用中波紅外探測器進行探測，運用圖像采集卡進行圖像采集，所得圖像如圖12～14所示。

圖12 全黑Fig.12 black

圖13 半黑半白Fig.13 half black and half white

圖14 麗娜Fig.14 lina

從圖12～14中可以看出封裝之后的DMD芯片顯示圖片效果良好，滿足中波紅外場景仿真系統(tǒng)的需求，不過圖片對比度較低，這是由于實驗所用中波紅外探測器的分辨率較低，光源發(fā)射的紅外線均勻性較差等因素的影響，在今后實驗中將優(yōu)化這些實驗條件。

6 結論

由于國外的保密性以及國內(nèi)DMD相關研究起步較晚，DMD窗口更換問題一直影響著基于DMD紅外場景仿真系統(tǒng)的性能提高，DMD窗口更換技術一直是國內(nèi)DMD研究領域的難點，其中涉及到窗口材料選取、封裝技術的選擇及封裝之后DMD完好性檢測等技術。

本文首先對各種紅外材料的適用性及性能進行分析，不同的紅外材料適用于不同波段的紅外場景仿真;其次對適合DMD的窗口封裝技術進行了分析，由于DMD芯片的精密性，DMD窗口封裝比常規(guī)窗口封裝更復雜，所需考慮的因素更多，如溫度、壓力、空氣氧化以及靜電等的影響，如何減少或者避免這些因素的影響將會是未來研究的重點;最后以對型號0.7″XGA的DMD芯片窗口更換為例，以Si為窗口材料，在充滿惰性氣體條件下，運用粘合劑封裝方法對DMD進行窗口封裝，對更換前后的DMD芯片性能進行了測試，測試結果表明封裝DMD芯片滿足中波紅外場景仿真系統(tǒng)要求，但如何測試其他更換窗口之后的DMD相關性能，如使用壽命等，也將會是未來研究重點。

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