摘要：讨论LCoS显示器的结构和用途，给出了LCoS显示芯片的设计方法及其实际设计结果。LCoS显示屏是一种反射式液晶显示器，其周边驱动器和有源像素矩阵使用CMOS技术制作在单晶硅衬底上，并以晶片为基底液晶盒，因而拥有小尺寸和高显示分辨率的双重特性。
　　关键词：硅基液晶（LCoS）屏 片上系统（SoC） 版图 定制设计

　　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www.cechina.cn，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。然而控制工程网版权所有，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控制工程网版权所有，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控制工程网版权所有，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www.cechina.cn，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