Como Funcionam os Dispositivos de Micro Espelhos ou DMDs (ART4615)

Um dos dispositivos mais impactantes dos últimos anos é o que faz uso de micro espelhos ou Micromirror Devices. Utilizando a tecnologia MEMS, ou Micro-Electrical-Mechanical System (Microssistema Eletromecânico) este dispositivo encontra aplicações que vão desde os projetores de imagens até a próxima geração de celulares, 6G. Conforme analisaremos neste artigo estes dispositivos reúnem em uma montagem extremamente compacta recursos tanto elétricos como mecânicos capazes de mudar a direção de feixes de luz. Neste artigo, analisamos o seu funcionamento.

Este artigo foi escolhido e publicado na edição de número 4 da Revista INCB Eletrônica - Clique aqui e leia a revista completa

Os DMDs ou Digital Micromirror Devices são relativamente antigos, tendo sido criados pela Texas Instruments em 1977. A ideia básica era empregar o controle de feixes extremamente finos de luz em projetores de imagem que até então usavam a tecnologia do cristal líquido.

Assim o que se pensava era num chip com um micro espelho cuja posição pudesse ser controlada por um sinal elétrico, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 – Estrutura Básica (imagem Texas Intruments)

Nessa estrutura, tomando uma única célula, o dispositivo tem para cada espelho dois estados possíveis. Num deles, sua posição é tal que a luz incidente da lâmpada ou outra fonte reflete na direção da lente de projeção. Na outra posição a luz refletida vai para uma superfície que a absorve.

Assim, para este circuito biestável, conforme o nível de sinal aplicado, podemos ter luz ou não na saída de projeção e na posição desejada. Convencionalmente o nível de controle positivo (+) implica em luz disponível na lente e o nível de controle (-) significa sem luz na lente.

Montando os dispositivos numa matriz, por exemplo, podemos controlar o dispositivo de modo que ele projete imagens completas numa tela. Esse é o princípio de funcionamento dos projetores de TV que usamos comumente em nossos dias.

Figura 2 – Um projetor de TV com micro espelhos | Clique na imagem para ampliar |

Evidentemente, a estrutura de cada célula que corresponde a um pixel deve ser extremamente pequena. Na figura 3 temos modo como ela é feita.

Figura 3 – Estrutura de um pixel.

Para obter uma estrutura extremamente pequena, os dispositivos empregam nanotecnologia. Com isso consegue-se obter uma grande quantidade de espelhos que podem ser montados numa estrutura matricial como a mostrada na figura 4.

Figura 4 – Uma matriz de 1024 linhas por 768 colunas

É claro que a cada pixel de imagem precisamos associar um circuito que mantenha o estado 0 ou 1, e isso pode ser feito com tecnologia CMOS. Na figura 5 temos um pixel de memória numa célula biestável.

Figura 5 – Pixel de memória CMOS Dual

Assim, o que se faz é gerar o sinal que corresponde a um quadro que deve ser projetado, transferindo todos os bits para a matriz que então produz os pixels, acionando ou não os espelhos correspondentes no processo de leitura.

Na documentação da Texas Instuments que pode ser acessada em https://www.ti.com/lit/an/dlpa008b/dlpa008b.pdf  você pode encontrar informações mais detalhadas sobre o modo de operação desse tipo de dispositivo.

Na figura 6 temos um exemplo de matriz DMD que podem ser encontrada em projetores de imagens (telões).

Figura 6 – Matriz DMD da Vishay

É claro que para uma imagem em cores devemos ter um emissor RGB e para cada pixel, um micro espelho. Na composição do sinal, modula-se a fonte emissora quando lida sequencialmente, de modo que, na composição do pixel ele tenha a cor correta.

Outras aplicações

Se levarmos em conta que os micro espelhos podem ser posicionados por um sinal e que suas dimensões são extremamente pequenas, aplicações importantes que envolvam outros tipos de radiação que não seja a luz podem ser controladas.

Uma aplicação interessa está sendo analisada na nova geração de comunicações sem fio a sexta geração ou 6G.

Figura 7 – A 6G já está em testes devendo chegar em 2030 oficialmente

Nessa tecnologia serão usadas frequências entre 95 GHz e 3 THz, cujos comprimentos de onda estão no que denominamos faixa sub-milimétrica.

Na faixa de ondas denominada T com frequências de 0,3 a 3 Terahertz, as ondas terão de 1 000 a 200 um (micrômetros) de comprimento, o que significa uma grande dificuldade para passar através de obstáculos. O que se pensa é utilizar antenas direcionais que procurariam o melhor sinal automaticamente e os micro espelhos se prestam a isso. Poderiam ser embutidos em um chip que procuraria o melhor sinal em qualquer lugar ou a fonte mais próxima, já que nesse sistema pensa-se em distribuir milhares de estações radiobase nos locais de operação, separadas por pequenas distâncias.

Lembramos que à medida que a frequência aumenta os sinais passam a ter comportamento que cada vez mais se aproximam do comportamento da luz e essa tecnologia de espelhos se adaptaria perfeitamente.