LCoS(硅基液晶)显示屏设计与应用

文章摘要：1 LCoS显示芯片--一类新型的SoC芯片 提到液晶显示器，人们就会联想到笔记本电脑用液晶显示器，或是大屏幕等离子显示器。新出现的令人振奋的LCoS是制作在单晶硅上的LCD显示技术[1]。 LCoS 显示器是一类新型的反射式显示器，是半导体VLSI技术和液晶显示技术巧妙结合高新技术产品，其显示芯片对角线尺寸为18mm。由于LCoS可利用常规的 CMOS技术批量生产，并可随半导体工艺的发展进一步微型化，同时提高分辨率，LCoS显示器将具备低功耗、微型尺寸、超轻重量等特点，因此在个人便携显示应用方面非常有优势，特别是功耗远低于许多有源矩阵液晶显示器（AMLCD），而生产成本可望与阴极

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1 LCoS显示芯片--一类新型的SoC芯片     　 提到液晶显示器，人们就会联想到笔记本电脑用液晶显示器，或是大屏幕等离子显示器。新出现的令人振奋的LCoS是制作在单晶硅上的LCD显示技术[1]。   　   LCoS 显示器是一类新型的反射式显示器，是半导体VLSI技术和液晶显示技术巧妙结合高新技术产品，其显示芯片对角线尺寸为18mm。由于LCoS可利用常规的 CMOS技术批量生产，并可随半导体工艺的发展进一步微型化，同时提高分辨率，LCoS显示器将具备低功耗、微型尺寸、超轻重量等特点，因此在个人便携显示应用方面非常有优势，特别是功耗远低于许多有源矩阵液晶显示器（AMLCD），而生产成本可望与阴极射线管（CRT）相比拟。    　 尽管LCoS显示屏通常只有指甲大小，相应的像素也就非常小，以至不利于肉眼直接分辨，但LCoS显示器都配备有各式各样的用于放大图像光学系统（Optical Engine）：一种是直接投影到视网膜上形成放大的虚像，由此产生了个人用虚拟成像平显示技术；另一种是运用屏幕投影形成放大实像，如图1所示。LCoS显示技术导致了一类新型的大屏幕平板显示器件的诞生。     　 作为LCoS显示技术核心的关键部件的单晶硅背板（LCoS显示芯片），是一块多功能、多结构的片上系统（SoC），即整个显示系统集成在一起18mm左右的晶片上。然而，SoC类芯片的设计必须全盘考虑整个系统的各种情况。正是因为如此设计周全，与由分离IC组合的显示系统相比，SoC类芯片可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。可以预计，以系统芯片方式设计生产的新一代液晶显示器，其应用前景将非常广阔[2]。 　　 2 LCoS显示屏    　 LCoS 显示屏通常分为两大类：透射型和反射型。虽然它们几何光学原理上截然迥异，但都能有选择地调制外光源光线而形成图像。透射型首先在晶片上完成驱动控制电路的设计制作，再用剥离（lift-off）技术[3]或各向异性刻蚀（anisotropic etching）技术[4]分离出管芯，粘附到透明衬底上制成微显芯片。如此巧妙设计一方面是利用单晶硅的优质电学性能，另一方面则是利用成熟的IC设计制造技术。反射型则是直接在晶片上制作驱动电路和显示矩阵电路，然后以此为基底封装液晶材料形成类似传统LCD（Liquid Crystal Display）结构的平板显示屏。所以常规IP技术可直接用于设计制作硅基液晶显示屏。     　 图2是笔者运用Cadence EDA工具，采用0.6μm的n-阱四层金属CMOS工艺规则设计的反射式LCoS（VGA分辨率，时序彩色化）电路结构图。其电路可划分为行扫描驱动器，列数据输入驱动器（包含DAC电路）和显示驱动矩阵（有源NMOS矩阵）[5]。   　   在列数据输入驱动器中，串行输入的多位数字视频信号通过移位寄存器的作用，依次存入数字锁存器，然后在同一读出信号作用下，配合行扫描信号，同时输入到各列的数/模转换器（DAC），之后输出模拟电压信号作用到像素，因此一帧图像将被一次一行地传送到所有列。    　 在行扫描驱动器中，行扫描信号通过另一组移位寄存器作用，产生与数字视频信号同步的逐行扫描信号。    　 有源显示驱动矩阵的每一个像给包括像素开关（NMOS晶体管）、存储电容和在它们上面的铝反射电极。NMOS晶体管控制列数据线对液晶像素的充电，而存储电容中的充电电荷建立了相对于控制电极的电压差。由于液晶材料本身也有电容，并沿分子的取向充电，当一定量的电荷积聚在像素上时，液晶将按所施加的电场取向。液晶分子的再取向，导致液晶电容的变化，这就改变了加在像素的电压。为了解决这个问题，需要用较大的存储电容。     　 像素的截面如图3所示，采用了四层金属，分别用于扫描线、数据线、避光层和铝反射镜面电极。扫描线控制NMOS晶体管（像素开关）的栅极，当NMOS导通时数据线上的信号驱动到像素上。晶体管漏极，存储电容和反射镜面电极是电导通的。硅背板顶部制作1μm厚的液晶衬垫，用以确定液晶盒间隙。   　   整个硅背板都是在常规IC芯片生产线上完成的。在加工好的LCoS显示芯片上，覆盖取向层，涂上密封胶，粘合附着ITO电极的玻璃盖板，最后向这个液晶盒灌注液晶材料就形成了LCoS显示器。尽管LCoS显示芯片的面积比较大，但绝大部分是像素阵列，晶体管密度较低，故可得到高的成品率。采用现代IC制造技术生产LCoS显示器可谓驾轻就熟，也是制造高分辨率LCD显示器的一条降低成本途径。 　　 3 芯片功耗分析     　 功率损耗是制允集成电路的一个重要因素，而CMOS电路的主要特点就是低功耗。由于LCoS芯片上的像素尺寸非常小（7～20μm），制作相应微滤色片（microfilter）的工艺复杂，且成本高。通常采用无微滤色片工艺，在单片LCoS芯片上使用时间混色模式（时序彩色化）实现彩色显示。表面上看时序彩色模式的LCoS芯片，要求其帧频为普通VGA显示的3倍以上来刷新屏幕，似乎功耗会增加许多倍，但实际并非如此。在图2所的实际电路结构中，我们设计了行锁存器。这样，就可以采用逐行写入方式，把每场的图像信号输入到像素显示矩阵中。纵向数据驱动器中视频串-行转换移位寄存器的工作频率约为25MHz，其它大部分电路的时钟频率不超过300kHz。LCoS芯片的功耗包括以下三部分： （1）静态功耗Ps。由反向漏电流造成的直流功耗，CMOS电路一般可以忽略不计。 （2）动态功耗PD。主要指逐行写入图像信号时，每行像素（电容）充放电产生的交流功耗。 （3）场反转功耗PF。上盖板电极作周期性电场反转需要的功耗。 　　 综合以上三项功耗，总的功耗为 P=Ps+PD+PF≈PD+PF    (1) 可采用数字电路瞬态功耗估算公式得到： P=CL fc VDD2     (2) 这里，每个象素的电容量CP约为0.2pF,