（物理电子学专业论文）lcos（硅基液晶）像素单元的研究.pdf

摘要 摘要 硅基液晶显示( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ，l c o s ) 技术是c m o s 半导体集成电路技术和液 晶显示技术相结合的新技术，具有高密度、高分辨率、高开口率、高亮度、轻、薄、成本低 等优点，能实现更高的对比度和亮度，且像素尺寸小，随着配套光学器件和电路技术的成熟 成本能进一步降低是很有前途的技术。本论文主要针对时序彩色l c o s 显示芯片的像素单 元进行液晶工艺研究以及芯片电路设计计算。 论文首先简要介绍了硅基液晶显示器件的原理和工艺结构，并在此基础上阐述了运用 l c o s 技术实现彩色显示的原理和驱动方式，进而根据时序彩色显示模式的要求分析了l c o s 芯片的设计要点。论文介绍了液晶的物理性质，比较详细地分折了它的电光特性。论文分析 了不同液晶工作模式的优缺点。通过计算，优化选择了适合时序彩色显示模式的工作参数。 然后，论文着重阐述了l c o s 液晶工艺的主要步骤，并对其中的关键工艺展开重点研究。 通过大量的实验，得到了一系列行之有效的工艺参数，对现有普通扭曲向列( t n ) 液晶工 艺做了改进和发展并试制了l c o s 液晶盒。 最后，论文从采样开关和存储电容两个方面着重描述了像素单元电路的设计。论文设计 采用了像素电路工作的双电容技术和低压驱动技术，提高了l c o s 显示芯片的光照时间占空 比并降低器件的驱动电压。论文用5 v 电压、双层多晶硅、三层金属、0 5um 的数字c m o s 工艺设计了像素单元的版图。 关键字：硅基液晶显示，l c o s 液晶工作模式，l c o s 液晶工艺，d r a m 结构。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fl i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ( l c o s ) i sac o m b i n a t i o no fc m o s s e m i - c o n d u c t o ri ca n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yt e e h n o l o g y fi th a st h eb e n e f i bo fh i g hd e n s i t y , h i g h r e s o l u t i o n h i g hb r i g h t n e s s , l o wc o s ta n ds 0o n h i i g h e rc o n t r a s ta n dl u m i n a n c e c a l lb ea l s o a c h i e v e du s i n gt h i sl c o st e c h n o l o g y , t o g e t h e rw i t hs m a l l e rp i x e ls i z e w i t ht h em a t u r a t i o no f t h e r e l e v a n to p t i c a ld e v i c e sa n dc i r c u i tt e c h n i q u e t h ec o s tc a i lb ed e c r e a s e dm o r e , l e a d i n gt oa p r o m i s i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fp i x e lu n i t f o rs e q u e n t i a lc o l o rl c o s d i s p l a yc h i p d i s p l a yp r i n c i p l ea n dt h ef a b r i c a t i o no fl c o si sb r i e f l yi n t r o d u c e df i r s t l y , f o l l o w e d b yt h ee x p l a n a t i o no ft h e o r ya n dd r i v i n gm o d et oa c h i e v ec o l o rd i s p l a yu s i n gl c o s n e x tt ot h a t ， t h ec h i pd e s i g ne s s e n t i a lo fl c o si sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs e q u e n t i a lc o l o r d i s p l a ym o d e ，p h y s i c a lp r o p e r t yo fl i q u i dc r y s t a li si n t r o d u c e d ，w i t ht h ed i s p l a yc h a r a c t e r i s t i ci n d e t a i l as p e c i f lo p e r a t i o nm o d ef i tf o rs e q u e n t i a lc o l o rd i s p l a ym o d ei sd e s c r i b e dw i t ht h e a n a l y s i so f a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d ef o rl i q u i dc r y s t a l t h e n ，t h em a i ns t e p so fl i q u i dc r y s t a lt e c h n i c sf o rl c o sa r ed e s c r i b e dw i t ht h ek e ys t e pi n d e t a i l as e r i e so f t e c h n i c a lp a r a m e t e r su s e f u lf o rl i q u i dc r y s t a lf a c t u r ew e r eo b t a i n e df r o mp l e n t y o f e x p e r i m e n t s a n dl a s t l y , c i r c u i td e s i g no fp i x e lu n i ti sd i s c u s s e df r o mt h ea s p e c t so fs a m p l i n gs w i t c ha n d s t o r a g ec a p a c i t a n c e i no r d e rt oi n c r e a s et l l ed u t yc y c l eo f t h ec i r c u i t w e l la sd e c r e a s i n gd e v i c e o p e r a t i o nv o l t a g e ，d o u b l ec a p a c i t yd r i v i n gm e t h o da n dl o wd r i v i n gv o l t a g ef o rp i x e lc i r c u i ta r e a d o p t e di nt h i sd e s i g n 5 vv o l t a g e ，2p o l y , 3m e t a l ，0 5umi ct e c h n i c sa r eu s e dt oc o m p l e t et h e d e s i g no fp i x e lu n i t k e yw o r d s ：l c o s ，o p e r a t i o nm o d eo f l i q u i dc r y s t a l ，t e c h n i c so f l i q u i dc r y s t a l ，d r a m 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：五丘连。导师签名 期：尘坚7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在2 0 世纪，图像显示器件中，阴极射线管( c r t ) 占了绝对统治地位，如电视机、显示器 等绝大多数都采用c r t 。但是与此同时，平板显示器也在飞速地发展着，特别是液晶显示 器和等离子显示器的质量大幅度改善，价格又持续f 降，快速地进入了显示器应用的各个领 域。就世界范围面言平板显示器的产值已经超过c r t 显示器产值，2 1 世纪必将是平板显 示的时代，人们多年来梦寐以求的薄而轻的壁挂式电视机已经出现，并将在不远的将来得到 普及i ”。一 如果按照显示原理来把众多平板显示器件进行分类，大致可以分为液晶显示( l c d ) 、等 离子体显示俨d p ) 、有机发光二极管显示( o l e d ) 、场致发射显示( f e d ) 和以硅基液晶显示 ( l c o s ) 、数字光处理( d l p ) 、高温多晶硅( h t p s l c d ) 为代表的微显示( m d ) 技术。 薄膜晶体管液晶( t h i nf i l m t r a n s i s t o r ，t f t ) 是目前液晶显示器发展的方向，也是视频显 示市场的主流产品o l 。液晶显示可毗实现薄、轻等平板显示同有的特点，在色彩还原、亮背 景下仍然可以保持较高的对比度，容易实现高分辨率甚至精细显示，因此，吸引了诸多企业 的目光。更为主要的是，世界各地已经建成了大量的液晶生产线，而且更新速度相当快，价 格逐渐走低。但是不可否认液晶还存在不少问题：对工作环境温度要求较高，所以在一些专 用领域特别是军用领域还不能满足要求；视角相对主动发光的显示器件而言比较小；实现大 面积显示的成本功耗问题还没有解决。总的来说，在大屏幕方面，尤其是4 2 英寸以上的大 屏幕显示器件上，液晶将与等离子体显示屏展开竞争；而在电脑监视器的市场上其份额已经 超过传统的阴极射线管：在移动显示系统。液晶现在仍然是主要显示器件，虽说有机电致发 光逐渐走向市场，但目前还没有形成气候。 等离子体显示器( p d p ) 利用了气体放电时产生的紫外线来激发荧光粉，从而实现彩色 图像的显示i 1 。总体而言，等离子在大屏幕等高端显示终端，由于其适合大面积有自主 发光等优点，有较强的吸引力。最大尺寸可以做到6 3 英寸以上，作为自主发光器件，其视 角，对比度都可以达到阴极射线管的水平；响应速度比液晶要快；而且环境温度范围大，所 以广泛应用于军用领域；图像质量比投影显示要高。等离子体显示器制造工艺相对复杂，目 前还存在着价格过高、能量利用率低、功耗过大、运动伪像等问题，图像质量还有待提高【4 j 。 有机发光二极管显示( o l e d ) 因为可以实现全固态自主发光，不但轻薄而且使柔性显 示器件成为可能，各受国内外诸多企业和研究机构的青睐，被认为是下一代显示技术的主流 ”j 。由于有机电致发光是主动发光，所以视角不存在问题，而且亮度较高，响应速度快。如 果采用有源矩阵驱动，可以实现高分辨率、功耗相对也较低。就目前而言，有机发光二极管 所遇到的最大问题之一是寿命问题，寿命问题包括两个：蓝色荧光粉的衰减问题和屏上的黑 点问题，另外工作环境温度范围也比较窄。 场发射显示器( f e d ) 作为平板显示器件家族中的员，主要是利用阵列状的冷阴极产 生电子，然后轰击荧光屏形成光信号输出1 6 。从整体上来讲可以认为场致发射显示是由许 多微型的阴极射线管阵列组成，只不过电子源是由冷阴极产生。所以场发射显示器具备有阴 极射线管的许多优越的显示性能，比如高亮度，宽视角等。同时场发射显示器又可以做到很 薄，实现矩阵选址等。因此场致发射显示又有许多液晶显示等平板显示的优点，比如功耗低， 薄，轻等。f e d 因此受到诸多研究机构和大公司的青睐和大力投入。 东南大学硕士学位论文 以l c o s 、d l p 和h t p s 为代表的微显示技术在二十世纪八十年代末九十年代初用于投 影( 包括前投和背投) 。最初多用于前投影机，近来也广泛用于背投电视。由丁社会经济发 展，电子科技进步等原因，人类对大屏幕显示设备的需求不断扩大。在目前的主流显示技术 中微显示投影技术具有屏幕尺寸大、解析度高、功耗低、寿命长，厚度较薄，重量也相对 较轻等优点，近年来发展很快，市场需求量也越来越大。同时，显示器件的另一个分枝 包括平视显示( h e a d u pd i s p l a y ，h u d ) 和头盔显示( h e l m e t - m o u n t e dd i s p l a y ，h m d ) 等 的微型显示系统也伴随着高分辨率显示器件的发展而成长起来。特别是近年来现代数字化 部队的装备需要，以及虚拟现实( v r ) 技术的发展，使得以头盔显示为代表的微型显示器 件在这些领域占据了重要的地位。 而在微显示技术的三个代表中，d l p 技术和h t p s l c d 技术有专利权问题f j ，技术掌 握在个别公司手中，如数字光处理技术的核心数字微镜器件( d m d ) 由德州仪器控制，索 尼和爱普生掌控h t p s l c d 技术；而l c o s 技术相对来说技术开放，很多科研单位和公司 积极参与开发和应用。 1 2l c o s 显示技术概述 硅基液晶显示( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ，l c o s ) 技术p 1 是c m o s 半导体集成电路技术和 液晶显示技术相结合的新技术。这两项技术比较成熟，尤其是单晶硅迁移率高，可实现驱动 电路，甚至控制电路乃至信息处理系统都可集成到显示屏上，有高度集成化的可能性。同时 l c o s 显示因具有高密度、高分辨率、高开口率、高亮度、轻、薄、成本低等优点，能实现 更高的对比度和亮度，且像素尺寸小，随着配套光学器件和电路技术的成熟，成本能进一步 降低，是很有前途的技术。 l c o s 系统所用微型显示器是只有拇指头大小的高分辨率液晶显示器，当经过光学放大 后，这种显示器能够提供数据和视频应用的高质量画面显示。基于l c o s 的微显示器是有源 矩阵液晶显示器该器件工作于反射模式。有源矩阵利用c m o s 工艺制作在硅芯片上，l c o s 利用硅技术的先进特性实现了越来越小的尺寸在相同尺寸上可以实现更多像素( 更高分辨 率1 ，提高了系统性能。由于像素大小在5 到2 0 微米之间，因此具有上百万像素的分辨率的 显示器的尺寸还是很小，通常对角线长度小于一英寸。有源矩阵电路提供一个介于每个像素 电极和一个公共透明电极之间的电压，后者由一薄层液晶与像素电极隔开，像素电极还作为 一个非常平整的高反射镜面。这种单元结构具有下列优势：它使图像像素面积减小，因为电 路是在像素后面，不会阻挡光路( 这是一种“屏蔽门”效应，一般出现在多晶硅投影系统上) ， 这种结构使得l c o s 微显示器更加容易扩展到更高的分辨率，因为像素可以做得更小，可以 在较小的芯片上实现更多像素。将l c o s 器件与独特的光学系统结合可以形成用于高清晰的 平板投影显示器或者头盔显示器。光学系统用极化光照射l c o s 器件，将红、绿和蓝三色光 分离并最后组成全彩图像。极化光入射到l c o s 器件上，液晶电光转换根据施加到每个像素 电极上的电压对极化光调制。光两次穿过液晶，由于液晶开关时间更快，将能更好再现运动 图像。 和d l p 与h t p s l c d 相比，l c o s 具有以下技术优势 9 1 1 1 0 1 ： 1 能在0 7 英寸的芯片上达到1 9 2 0 x 1 0 8 0 的高分辨率，外形轻巧，分辨率高。 2 芯片自身功耗极低，几乎可以忽略，便于携带和集成。 3 l c o s 芯片下基板的材质是单晶硅可形成较细的线路，因此画质细腻自然，无颗粒 感。 4 相比于透射式液晶( h t p s l c d ) ，l c o s 光利用效率高达4 0 以上，减少耗电，并 产生较高的亮度。 2 第一章绪论 5 相比于数字光源处理技术( d l p ) ，l c o s 色彩的表现范罔高，因此可呈现整体画面 的高色彩饱和度，让色彩艳丽饱满。 6 l c o s 生产可以利用成熟的液晶和半导体产业，减少固定投资，可以低成本达到高分 辨率。 由于l c o s 具有以上这些优点可以作为虚拟显示屏应用于移动通信设备、和移动类消 费产品，如数字摄像机、可视移动电话、个人数字助理( p d a ) 和头盔显示器等等以及大屏 幕投影显示j 。正是看到了l c o s 显示技术的巨大市场潜力，很多国际上知名大公司纷纷宣 布进入这一领域。目前l c o s 显示的研究以美国的f a b l e s s 公司为主，有t h r e e - f i v e s y s t e m m i c r o d i s p l a y , d i s p l a y t e c h ，m i c r o p i x , k o p i n 等公司。这些公司都己经开发出一些l c o s 微显示 器的产品。 国家以及江苏省已经将l c o s 技术研究列入“十一五”规划，并将在政策上和资金上给予 相应的支持，另外近年来l c o s 项目一直被列为电子基金发展项目。预计2 0 0 7 年，基于l c o s 的显示市场产值可达3 0 亿美元( 数据来源：s t a n f o r dr e s o u r c e s ) 。l c o s 项目的研究有利于 我国尽早进入并抢占国际微显示技术产品高端市场。对于促进我国电子基础器件的更新换 代，扩大电子信息产品出口，具有积极意义。东南大学显示工程技术研究中心也因此开始致 力于l c o s 显示技术的研究。本课题就是在这样的背景下产生的。 1 3 论文的主要工作与安排 l c o s 技术是液晶显示技术和c m o s 半导体集成电路技术相结合的产物，是真正的交叉 学科。在设计l c o s 像素单元的过程中，不仅要熟悉液晶显示技术和c m o s 半导体集成电 路的相关知识，而且要从整体的角度考虑两种技术结合使用所新增的各种难点。 论文的第二章首先介绍了l c o s 显示技术接下来对液晶材料的物理特性和电光特性做 了着重的阐述，并且由此展开了对液晶工作模式的研究。在工作模式的研究过程中，从场序 彩色显示模式的要求出发，分析了不同的液晶显示模式的优缺点，运用参数空间法优化选择 液晶工作参数，并得到了相应的工艺目标，为接下来的工艺实践提供指导。 第三章则重点讨论了l c o s 液晶工艺的流程，首先详细介绍了l c o s 液晶工艺的流程， 然后对其中的关键工艺进行集中的讨论，并通过实验的方式探索适合的工艺参数。本论文所 采用的l c o s 液晶工艺借鉴了很多普通t n 液晶工艺现成的经验，同时又结合了l c o s 器件 面积小、精度高的特点，对现有普通t n 液晶工艺做了改进和发展，并试制了l c o s 液晶盒。 第四章分析l c o s 像素电路的基本结构，并从功能和工艺角度出发分析了像素电路的性 能和实现方式，然后介绍了像素电路工作的伪并行方式和低压驱动方式，最后根据相关参数 设计了有源阵列。 第五章是对整个论文工作的总结，并对进一步的工作进行了展望。 第二章l c o s 旺示原理 第二章l c o s 显示原理 传统的液晶显示器件发展至今，经过多次改良，发展到目前的形态。它将设有透明电极 的两块玻璃基扳用环氧类黏台剂以4 - 6 u m 间隙进行封合，并把液晶封入其中而成。与液晶 相接的玻璃基板表面有使液晶分子取向的膜。为彩色显示，在一侧玻璃基板内面与像素相对 应设有由三原色形成的微彩色滤光片。另外，有源矩阵驱动型则在玻璃基板内面形成开关器 件阵列。 l c o s 作为液晶显示器件中的种，充分吸收了l c d 成熟的设计经验和方法，许多l c d 中最新的技术和研究成果直接应用在了l c o s 的设计上。本章详细介绍了l c o s 显示技术的 原理，作为补充，对液晶的相关知识也做了阐述，最后介绍了本论文在液晶工作模式方面的 设计要点。 2 1l c o s 显示技术 我们已经注意到，除了显示器，几乎所有的电子器件都在缩小体积。是否存在既能只占 有少量空间，叉能获得更高显示分辨率的显示技术? 近来发展起来的硅基液晶( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ，l c o s ) 平板显示技术 1 3 - 1 0 l 为人们提供了这样的机会。表面上l c o s 仍然是一 种新型的反射式液晶显示技术，实际上它却融合了当今信息产业的两大支柱技术以单晶 硅片为衬底的c m o s 器件集成技术，和以透明平板硬质基底为封装盒的l c d 显示技术。因 而l c o s 显示器具备小尺寸和高分辨率的双重特性。 2 1 1l c o s 的结构 l c o s 的物理结构 l c o s 显示器由硅片，液晶层和玻璃基片组成，如图2 1 所示，从上到下依次为玻璃基 扳、氧化铟锡( i t o ) 电极、取向层、液晶、取向层( 图中未标出) 、c m o s 硅片。硅片最上面 的一层金属和玻璃基片内表面镀的i t o 组成像素电极。 c o v e rg l a s s i t 0 a l i g n m e n tl a y e r l cm a t e r i a l s d a c e r s c 船0 ss u b s t r a t e 图2 1l c o s 的物理结构 ， 东南大学硕l 学位论文 l c o s 的工艺结构 图2 2 为典型的l c o s 显示器件的工艺结构。在s i 衬底上制作液晶显示像素电路，每一 个m o s 电路开关对应着显示器件上的一个像素。当开关选通后相应的电压就会通过液晶 下面的金属，加在显示液晶上。在图中可以看出，顶层金属可以有两个作用。一、用来给液 晶像素施加工作电压；二、可以用来对透射到液晶底板上的光线进行反射。当光线入射到液 晶上的时候，由于像素单元被加上了相应的驱动电压，不同的驱动电压对于液晶层中的来自 光路的影响就不相同反射以后的光线就会有强弱的区别从而实现了信息信号的显示。 值得注意的是，由于是反射式l c o s 技术，其对c m o s 工艺有着特殊的要求。用于做 反射板的顶层金属，必须能够达到相当程度的平整度，这样才能精确的控制反射光路。典型 的处理顶层金属的丁艺技术是化学机械抛光工艺( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 。由 于使用的时候硅片将直接暴露在光源之下为了避免光线对于m o s 器件的影响，对于l c o s 芯片来说，必须增加层遮光层以消除光电效应1 。 2 1 2l c o s 的显示 图2 2l c o s 的工艺结构 l c o s 显示原理 l c o s 技术是做在硅片上的一种液晶与c m o s 工艺相结合的新型显示技术。其用于信息 显示的原理与普通液晶显示的原理大致相同。液晶是一种特殊形态的物质。通常情况下在没 有外加电场作用下，液晶的分子的排列与取向层有关( 图2 3 a ) ；而在有外加电场对液晶材 料进行作用的时候，液晶分子的排列取向将与外加电场有关( 图2 3 b ) 。当外部光线入射进 来时，在外部电场的作用下，液晶分子可以如闸门般的对光线进行阻隔或者让光线顺利穿透。 普通的扭曲向列型( 1 1 吣器件就是根据这特点进行工作的。当有外加电场作用的时候，在液 晶内部的液晶分子的指向矢将倾向于平行外电场排列。不同的电场液晶分子取向角度不同。 当外加电压大于某一阈值电压的时候，除了束缚在玻璃表面附近的部分分子外，整个液晶层 的分子的指向矢都将沿外电场排列。此时液晶层不再使入射光的偏振面产生扭曲。这样光线 将毫无阻碍的穿过液晶层。在外加电场作用下，液晶分子对于光线的不同的穿透率，就形成 了信号显示时候的强弱不同。这就是液晶显示器件的基本工作原理。l c o s 显示器件也是基 6 第二章l c o s 显示原理 于上述的工作原理来工作的。 ( a ) 无外加电场情况下，液晶分子排列示意图 啦 韪箩 l c o s 彩色原理l 州 由于l c o s 本身形成的是单色图像，要得到彩色图像就必须采用适当的技术合成彩色。 一般来说，l c o s 显示器件有三种彩色化的方式：一种方法是用三片l c o s ：如图2 4 ( a ) 所示， 三片式l c o s 是用三块l c o s 显示器件分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来 的白色光经过镜头组后会聚到双色镜组，双色镜是在镜片上镀上多层光学膜，使某些波长的 光被反射，而其余的被透射。红、绿、蓝三色光被双色镜组分离出来后投射到对应的液晶面 板上，三种颜色的光在透过各自的液晶面板时，其光强被调制，然后在合光棱镜中聚合在一 起，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅生动的全彩色图像；另一种是色轮法：如图2 ，4 ( b ) 所示，通过一个旋转色轮，将每幅画面分成红、绿、蓝三个时间段分别成像，利用人眼的视 ( a ) 三片式l c o s 实现彩色显示 ( b ) 色轮法实现彩色显示 ( c ) 时序法实现彩色显示 图2 4l c o s 彩色显示原理图 7 东南大学颂f 学位论文 觉暂留效应，合成出一幅完整的彩色图像；还有一种方法是时序法i | q ：时序法也叫场序法， 就是将一场的时间分成3 个子场，在每个子场的时间内分别把图像的r 、g 、b 信号写入显 示屏，并依次点亮红绿蓝三色光源，利用人眼的视觉暂留特性实现彩色图像的显示，在时序 彩色显示模式下。一场图像的显示时间和各子场的时间关系如图2 4 ( c ) 所示。在每一个子场 当中，a d d r e s s i n g 时间用于对显示屏像素的扫描寻址，w a i t 时间是液晶对驱动电压的响应， f l a s h 是相应彩色光源的闪亮时间。在r 、g 、b 各子场时间内显示屏显示的都是单色图像 信息，而在1 帧时间当中r 、g 、b 信息分别显示一次，所以我们看到的仍是一幅全彩色图 像。 2 1 3l c o s 的驱动1 2 0 】 l c o s 的工作模式按接收的视频数据的性质也分为两种方式：模拟方式和数字方式。两 种方式的驱动电路也有一些不同之处。一 模拟方式 图2 5 为单色模拟l c o s 芯片的驱动电路结构图。驱动电路主要由两部分组成：行驱动 电路和列驱动电路。 图2 5 单色模拟l c o s 芯片驱动电路结构 行驱动电路的_ t 作原理是：s t h 为一脉冲信号，c l k 为像素点时钟信号作为行移位 寄存器的时钟。当c l k 信号的上升沿到达时，s t h 信号的脉冲即高电平被逐级移位。首先 移到第一个触发器的输出端，该输出端驱动采样开关闭合，在一个c l k 周期内输入的v i d e o 信号对该列的保持电容充电。该时刻的v i d e o 信号是该行的第一个像素。第二个c l k 信号 的上升沿到达时s t h 信号的高电平被移到第二个触发器的输出端。此时第一列的采样开 关断开，第二列的采样开关闭合，像素值采到。在点时钟的作用下v i d e o 信号对第- - n 的保 持电容充电，上述过程逐列地进行下去，一直到该行的v i d e o 信号的不同部分被采样完。 列驱动电路比行驱动电路简单的多。列移位寄存器的原理和行移位寄存器的原理是一样 的。在v c k 的上升沿的作用下，s t v 信号的高电平被逐级移位，一行的像素开关被打开， 列驱动中保持电容的信号写入液晶单元。当s t v 信号被移到最后一个触发器的输出端，驱 动电路完成一帧图像信号的写入 数字方式 数字l c o s 芯片的驱动电路结构与模拟l c o s 芯片类似，它们的区别主要是列驱动上有 一些不同之处。模拟l c o s 芯片的优点是模拟视频信号是连续的，从原理上说可以实现全灰 8 第二章l c o s 显示原理 度级，但模拟芯片容易受到干扰，图像的质茸不如数字l c o s 芯片同时_ 艺上的难度大一 些。目前l c o s 芯片的发展方向是数字化。数字l c o s 芯片的驱动电路比模拟l c o s 芯片复 杂一些，需要将数字视频信号进行d a 转换，变成有限等级的灰度电压。数字式驱动电路 在技术和工艺上都非常成熟，对信号进行变换、纠正很容易，抗干扰能力强。图2 6 为该驱 动电路的基本结构图。该结构下l c o s 屏的彩色实现方案是彩色时序方式。行驱动电路与前 面所述的模拟l c o s 芯片相同。为降低点时钟频率，数据线为3 2 位，每次接收相邻四个像 素的数据，时钟的频率是每次只接收一个像素的驱动电路时钟的四分之一。列驱动电路分两 组，上侧的列驱动电路对奇数列驱动，下侧的列驱动电路对偶数列驱动。接收的数字信号要 经过d a ，变成模拟电压。v i 、v 2 、v 3 、v 4 是四个参考电压，用于y 纠正。 0 耵 1 f 7o i 图2 6 数字l c o s 芯片驱动电路结构 2 1 4l c o s 显示芯片设计 在了解了l c o s 的基础知识，特别是其显示方式、彩色原理和驱动方式后，我们将开始 些必要的计算以确定芯片设计的基础。本论文将按照时序法彩色显示的要求开展设计。 l e d 发光时间 i ?| ? 。 暑：，：。习 r 睡o j ：0 ：t ：j 一吖z z ，i甜；彰 j i 戮 i 蔓 一t - ，r _ 红 绿 蓝 隰嘲辫剽_ 黝瓣嚣i 巨溪豇 。縻 ：臻嚣嬲j j 罐：圜 i 鬻毵 辱 瓣i ( 1 )( 2 )( 3 ) 时间7 一 一 l _ _一 图2 7 时序彩色显示法图像场时间分配 9 东南大学硕l 学位论文 如图2 7 所示，在时序彩色模式中显示一场图像需要三部分时间，它们依次为： ( 1 ) 一场图像信号写满显示芯片的所需时间； ( 2 ) 液晶材料固有的响应时间： ( 3 ) 光脉冲照射时间 对人的视觉神经而言，在视觉惰性时间之内显示亮度几乎与光脉冲照射时间成正比例关 系，图像动态显示的临界闪烁频率c 可由下式计算p l 】： 正= a l g b 。+ b ( 2 i ) 对于视频动态显示，a - - 9 6 b = 2 6 6 b 。= l o o c d m 。时，f c = 4 5 8 h z ，一般采用6 0 h z 的帧 刷新频率。对于时序彩色模式，每幅图像由三场彩色图像轮流显示合成，所以单基色光脉冲 频率是1 8 0 h z ，即每场基色图像的显示时间约为5 5 m s 。要保证最后一行像素电极有足够的 时间驱动液晶显示，上述第一部分时间应当尽量小。假设芯片写入每行图像的时问设计成 1 雌，写完一场x g a 图像需要1 0 2 4 x 1 i m = 1 0 2 m s 。一般快速t n 液晶的响应时间不大于 3 5 m s 掣j ，剩余犬约i m s 分配给光脉冲照射。若采用l e d 光源，其开关响应小于l ，可忽 略对第三部分时间的影响。此时，每基色的时间占空比约为1 1 8 ，假如使用响应速度更快 的铁电液晶材料或者采用高响应速度的光学自补偿弯曲( o p t i c a l l y c o m p e n s a t e db a n d ，o c b ) 模式就可以大幅度提高亮度”，但是这会带来工艺上的困难。另外一种方式可以通过缩 减第一部分的时间来达到提高亮度的目的，邮所谓的双电容方式( 见4 ，2 节) 。 2 2 液晶显示技术 上节从l c o s 液晶显示芯片的角度介绍了l c o s 的结构、原理、驱动等技术细节，正如 上文所说l c o s 融合了当今信息产业的两大支柱技术以单晶硅片为衬底的c m o s 器件 集成技术，和以透明平板硬质基底为封装盒的l c d 显示技术，所以深入地了解液晶显示技 术显得尤为必要。 2 2 1 液晶的物理特性 物质有三态：固态、液态和气态，通常固体加热至熔点就变成液体。然而，有些有机材 料不是直接从同体转变为液体，而是先要经过中间状态，然后才转变为液体。这种中间状态 外观是流动性的混浊液体，同时又有光学各向异性晶体所特有的双折射特性。 鳓 层列相 向列相手性向列相 图2 8 液晶分子形成的典型液晶相 1 0 第一二章l c o s 显示原理 液晶由棒状或板状分子组成，这些分子以各种液晶特有的规则排列，但共同点是备分子 的长轴平行指向某一方向或各分子长轴方向不尽相同，但宏观上有某个平均方向( 图 2 8 h | j ) 。正是由于液晶分子的细长或扁平形状及有指向性的排列，使其物理参数在分子长轴 方向及其垂直方向上取不同值。这种表征液晶物理特性的参数随方向而异的性质，称为液晶 的箨向异性。液晶的各向异性及其分子排列易受外加电场、磁场、应力、温度等的控制，从 而得到了多种应用。 一般称沿分子长轴平均方向为平行( ) 方向，称沿垂直分子长轴平均方向为垂直( 上) 方问。沿分子长轴平行方向的物理量称之为平行方向的物理量，如平行折射率n ，等 而与 分子长轴垂直方向的物理量，称为垂直方向的物理量，如垂直折射率萱1 等。 一、介电常数 介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度。由于单个液晶分子轴向与垂直于轴的方 向具有不同的物理性质，有各向异性的介电性，所以整体液晶材料的介电性也是各向异性的。 液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。 占= 勘一q ( 2 2 ) 一和- 分别是平行和垂直于分子轴方向上的介电常数。一般说来，取决于多个参数 值，包括液晶分子的极化度、介电常数的奇偶效应、n 电子体系的影响等等。一般情况下。 若一定温度f 液晶分子结构中不含永久偶极矩，液晶介电各向异性主要取决于分子的极化 度。而液晶分子偶极矩和分子长轴间夹角的大小也是决定介电各向异性正负的关键参数，将 偶极矩平行于分子长轴的那一类液晶称为正性液晶，正性液晶a 驴o ：偶极矩垂直于分子长 轴的那一类液晶称为负性液晶，负性液晶a “0 。e 一、e - 和是一组重要的物理量，对于正 性液晶a e = 1 0 2 0 ，对于负性液晶a f ( 1 2 ) ，对电光效应有直接影响。 一、上、的值可用测量液晶电容变化的方法来确定，在测量时除加有电场外，尚需 加有外磁场，在外磁场的作用下液晶分子的长轴将平行与外磁场取向。因此，在测量液晶电 容时，如果电场和外加磁场的方向一致，所测量的电容值就是一，而电场和外加磁场垂直， 所测量的电容值就是- ( 图2 9 ) 。计算公式如f ： c h 勤2 f 5 u 0铲寺 式中c o 表示除去液晶后电极极板之间的电容。 c = = = = = = = = = ：= = = j e 一0 ( 2 - 3 ) 测量平行介电常数测量垂直介电常数 图2 9 介电常数的测量原理示意图 二、 电阻率和电导率 液晶的电阻率p 的数量级一般为1 0 8 - 1 0 1 2 0 c m 它接近于半导体和绝缘体的边界。电阻 率常作为液晶纯度的一个检测值。p 小表示杂质离子较多，也就是液晶的纯度较差一般p 1 ，反映了液晶中的离子沿分子轴向的运动比垂直于分子轴向的 运动容易。对于近晶型液晶，o a 2( 2 9 ) 式中d 为玻璃基片间的间距它约等于螺距的l 4 ：x 是入射光的波长；a n 是液晶的 折射率各向异性。一般d = 3 9 m ，6 n = 0 2 0 4 ，所以d n = 0 6 1 2 9 m ，而可见光波长范围是 0 3 8 0 7 6 “m ，可见基本满足上式要求。 线偏振入射光经过上述液晶层时，对于正介电各向异性的向列液晶分子长轴方向的折 射率大，所以入射光偏振方向将随分子长铀转过9 0 0 。如果上下偏振片的偏振方向互相平行， 则t n 液晶盒可以遮光；如果偏振方向互相垂直，则t n 液晶盒可以透光。 哦四躲瞪冉霞 ( a ) 无外加电场情况下，液晶分子排列示意图 哦画固蜉 1 4 第二章l c o s 显示原理 如果在液晶盒上加一个电压，并超过阈值电压后，液晶分子长轴将开始沿电场倾斜当 电压达到2 v t h 时，除电极表面分子外所有液晶盒两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向 再排列，如图2 1 1 ( b ) 所示。这时t n 液晶盒的9 0 。旋光性能消失。垂直偏振光之间的液晶 盒失去透光作用；平行偏振光之间的液晶盒失去遮光作用。 t n 液晶显示器件的工作闽值电压与介电常数和弹性常数有关如下式。可以看出闽值 电压的大小与液晶盒厚度无关：选择大和小弹性常数可使v m 变小。 = 万k , + ( k 3 3 - 2 k 2 巫2 ) 4 t n 液晶显示器件的响应时间可由下式计算： ( 2 1 0 ) 力：篮 ( 2 1 1 ) k lc 嚣 所以要使上升响应快，应使用介电各向异性大、粘滞系数f k 和弹性常数k 小的液晶 材料：要使下降响应快，应使用粘滞系数n i 小，而弹性常数大的液晶材料。 二、 垂直取向( v a n ) 模式 在v a n 模式器件中，上、下基板上有小凸起液晶分子垂直取向，起偏片与检偏片的 方向互相垂直，所以无场时为暗态。当加电压时，凸起间产生倾斜场，使液晶分子偏离垂直 方向，如小凸起为四面体，则液晶分子向四个方向倾斜；如小凸起为三角形柱体，则液晶分 子向两个方同倾斜，如图2 1 2 所示，所以随着电场的增加，透射率上升。 断电 通电 图2 1 2 垂直取向模式结构 垂直取向( v a n ) 模式液晶盒具有高对比度、快速响应等突出的优点。最近的些研究 报告中提出，垂直取向液晶模式是组装l c o s 液晶盒非常理想的显示模式 2 6 j 0 德国的s t u t t g a r t 大学采用倾斜蒸镀s i 0 2 的方法实现液晶的垂直取向，用m e r c k 公司的m l c - 6 6 0 9 液晶，n 为+ o 0 7 7 7 ，液晶盒厚3 p m 。作成的l c o s 显示器可以得到3 0 0 ：1 的对比度。但是v a n 液 晶盒的制作工艺不能兼容目前的l c 技术，液晶垂直取向工艺复杂，是影响v a n 技术实用 化的主要问题。 三、 表面稳定铁电液晶( s s f l c ) 模式 1 9 8 0 年n a c l a r k 和s t l a g e r w a l l 指出铁电液晶( f e r r o e l e c t r i c l i q u i d c r y s m l ，f l c ) 1 5 南 一占 = r r 东南人学硕上学位论立 能够用丁显示o “。他们发现被称为表面稳定铁电液晶( s u r f a c es t a b i l i z e df l c ，s s f l c ) 在 极薄的膜状态f ，解除其螺旋结构，显现出被束缚于基板表面的戏稳定特性。 s s f l c 的主要优点有如下三点： 因为能利用存储性，所以在扫描线数上没有限制。因而，适合于高清晰度显示。 响应速度非常快，现已实现十几个微秒每线的写入时间。 视角非常宽，从哪个方向看也能获得同样的显示品质。 虽然其性能无论从哪个方面都超过t n ，但f l c 也具有其特有的技术难题。 若想利用铁电液晶作为显示材料，必须掌握获得均匀排列分子的技术。与向列液晶不同 之处在于对于铁电液晶，除了分子自身排列之外，还必须考虑到分子层的排列。一个理想的 铁电液晶显示器结构要求液晶分子与分子层两者都是均匀完美地排列整齐，这就对分子层排 列和液晶厚度有严格的要求。而液晶厚度只有1 - 2 j u n ，其控制难度是很大的。 在取向控制方法上是采用基片表面作大倾角的定向处理，这可以借用t n 液晶盒中已有 的定向排列技术例加把基片先镀上一层高聚物分子( 比如聚酰亚胺) 或斜蒸s i 0 2 等。由 于铁电液晶的铁电性是向列液晶所没有的，前者与界面的作用强，后者与界面的作用是非极 性的，作用要弱得多，使得铁电液晶的分子排列比向列液晶困难得多。 另外，还有一个必须解决的问题是不仅在初始状态，而且在实用状态下的耐冲击性要好。 在t n 中使用的向列液晶，即使其盒因机械变形而产生液晶的流动和取向的变化，也可自行 修复。但是层列液晶则没有自修复功能，因此一旦变形而取向有变化，便作为向错残留下来。 从以上分析可以看出，从工艺的角度来看实现表面稳定铁电液晶显示模式比较困难。 2 2 4l c o s 液晶模块设计 液晶歧计时。首先要选择合适的液晶材料，因为液晶性能和材料特性紧密相关。由上一 节分析可知，液晶材料的各向介电常数、粘度系数和弹性系数决定了液晶响应速度；同时液 晶的双折射也由材料特性决定，由工作模式优化后确定，所以对液晶响应速度和驱动电压有 间接影响，同时也影响到液晶盒厚度的相对均匀性。