ИНДИКАТОР ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01J31/12 H01J21/10 H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к вакуумной микроэлектронике, к устройствам отображения информации.

Известен способ изготовления матриц, содержащих источники излучения электронных пучков со встроенными самоцентрирующимися линзами (патент США N 4498952, кл. B 44 C 1/22, опубл. 1985). Прибор, изготовленный по данному способу, содержит эмиттеры, анод, формирующий электронные пучки, полосковые электроды, расположенные в двух параллельных плоскостях и перекрещивающиеся между собой, ускоряющий электрод. Полосковые электроды обеспечивают отклонение электронных пучков по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Это достигается их соответствующим расположением по краям отверстия, в котором размещен эмиттер, в параллельных плоскостях, разделенных диэлектриком. Подавая различные напряжения на каждую из пар полосковых электродов, окружающих отверстие с эмиттером, можно отклонять электронный пучок к полоске с более положительным потенциалом. Благодаря наличию двух пар полосков можно отклонять луч по двум взаимно перпендикулярным координатам.

Работа основана на холодной эмиссии электронов с эмиттеров под воздействием сильного электрического поля, создаваемого напряжением на управляющем электроде.

Наиболее близким является автоэлектронный катод (а.с. N 376826, кл. H 01 J 1/30, 1971), содержащий подложку, выполненную из проводящего или диэлектрического материала, на которой расположен стартовый проводящий электрод, вызывающий автоэлектронную эмиссию, представляющий собой тонкую пленку из любого проводящего материала, подсоединяемый к положительному полюсу источника напряжения. На нем выполнена изолирующая пленка из диэлектрика (диэлектрический слой), обладающая высокой электрической прочностью. Слой держателя катода выполнен из проводящего или диэлектрического материала, на нем расположена катодная пленка, изготовленная из механически прочных проводящих материалов (например вольфрам, молибден). Эмитирующей поверхностью служит торец катодной пленки, кромка которой выполнена в виде лезвия.

Для данного катода характерно использование коллектора электронов (анода), который установлен над лезвием при зазоре 50-100 мкм между анодом и эмиттирующей поверхностью, и в его цепи замыкается ток вторичных электронов, вызываемых автоэлектронной бомбардировкой диэлектрического слоя.

На анод необходимо подавать напряжение 300-400 В, вытягивающее электроны, величина которого должна значительно превосходить величину напряжения на стартовом проводящем электроде, иначе облако электронов будет удерживать электрическое поле, создаваемое этим электродом. В результате увеличивается вероятность ионной бомбардировки эмиттирующей пленки, снижается электрическая прочность, надежность катода. Кроме того, увеличение анодного напряжения вызывает более интенсивное рентгеновское излучение, увеличивает мощность потребления индикатора.

Без коллектора (анода) невозможна работа прибора, поскольку цепь эмиттирующая поверхность - стартовый проводящий электрод разорвана диэлектрическим слоем. В известном катоде перенос тока осуществляют вторичные электроны. Наличие диэлектрического слоя между эмиттирующей поверхностью и стартовым проводящим электpодом приводит к необходимости увеличения напряжения, вызывающего автоэлектронную эмиссию в ε раз (где ε - относи тельная диэлектрическая проницаемость изолирующей пленки).

Работа автоэлектронного катода основана на холодной эмиссии электронов под воздействием сильного электрического поля (5 × 10⁷ В/см), которое создает стартовый электрод. Электроны, бомбардируя диэлектрический слой, вызывают эмиссию вторичных электронов, которые перехватываются коллектором электронов (анодом).

В основу изобретения положена задача создать индикатор изображения, в котором можно было бы получить ток автоэлектронной эмиссии в цепи анода при малом анодном напряжении, что позволило бы уменьшить потребляемую им мощность, увеличить разрешающую способность и повысить его надежность. Поставленная задача решается тем, что в индикаторе изображения, содержащем подложку, электроды, разделенные слоем диэлектрика, эмиттеры, выполненные в виде лезвий и нависающие над отверстиями в диэлектрическом слое, электроды выполнены перекрещивающимися, эмиттеры выполнены в местах перекрестий электродов, а анодные электроды расположены на подложке, рабочая область которых покрыта слоем люминофора.

Выполнение анодных и катодных электродов перекрещивающимися позволяет формировать изображение с высоким разрешением и при малой мощности потребления.

Расположение анодных электродов непосредственно на подложке, рабочая область которых покрыта слоем люминофора, позволяет снизить анодное напряжение, мощность потребления ввиду уменьшения расстояния между вершиной эмиттера и анодом, а также повысить разрешающую способность ввиду отсутствия расфокусировки электронного пучка.

Целесообразно также, чтобы в индикаторе изображения на рабочей области анодных электродов была выполнена возвышенность из проводящего материала, покрытая слоем люминофора.

Целесообразно также, чтобы в индикаторе изображения возвышенность была выполнена в виде усеченной сферы, верхняя точка которой была бы расположена ниже плоскости эмиттера.

Таким образом, выполнение возвышенности на рабочей области анодных электродов, покрытых слоем люминофора, приближает кромку эмиттеров к аноду, что позволяет уменьшить анодное напряжение до 40-60 В и увеличить излучающую площадь одной точки, это также позволило увеличить электрическую прочность индикатора и уменьшить его мощность потребления.

Целесообразно также, чтобы в индикаторе изображения кромка лезвий эмиттеров была выполнена зубчатой.

Целесообразно также, чтобы в индикаторе изображения вершины зубцов эмиттеров были выполнены на противоположных сторонах отверстий, расположенных вдоль анодного электрода.

Целесообразно также, чтобы в индикаторе изображения вершины зубцов эмиттеров выступали нард анодными электродами на радиус закругления вершины зубца.

Исполнение эмиттеров и их расположение как описано выше обеспечивают снижение анодного напряжения, вызывающее автоэлектронную эмиссию. Напряженность электрического поля при одном и том же напряжении на аноде, на зубце больше, чем на лезвии.

На фиг. 1 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - индикатор, вид сверху; на фиг. 3 - ячейка с зубчатой кромкой, вид сверху; на фиг. 4 - трехцветный индикатор, вид сверху.

Индикатор изображения содержит (фиг. 1) подложку 1, на которой расположены анодные полосковые электроды 2, диэлектрический слой 3, на котором выполнены перпендикулярно анодным полосковым электродам 2 катодные полосковые электроды 4. В местах перекрестий в катодных полосковых электродах 4 и диэлектрическом слое 3 выполнены отверстия для образования на анодных полосковых электродах 2 рабочей области 5, на которых расположены возвышенности 6 из проводящего материала в виде усеченной сферы, верхняя точка которой расположена ниже плоскости электрода и покрытая слоем люминофора 7. Кромки лезвия эмиттеров 8 выполнены зубчатыми и нависают над отверстиями в диэлектрическом слое 3. Вершины зубцов эмиттеров 8 выполнены на противоположных сторонах отверстий, расположенных вдоль анодного электрода 2, и выступают над анодными электродами 2 на радиус закругления вершины зубца. Индикатор может быть выполнен и без проводящего возвышения 6. В этом случае слой люминофора покрывает рабочую область анодного электрода непосредственно (на чертеже не показан).

Индикатор изображения работает следующим образом.

На анодные полосковые электроды 2 подается положительное напряжение относительно катодных полосковых электродов 4 величиной 40 - 60 В. Вследствие небольшого расстояния между вершинами зубцов эмиттера 8 и слоем люминофора 7 (1-1,2 мкм), осажденного на проводящей возвышенности 6 (в случае непосредственного нанесения люминофора на рабочую область 5 анодного полоскового электрода 2 на анодные полосковые электроды подается напряжение 80-100 В), на вершине зубца 7 (фиг. 3) создается высокая напряженность электрического поля (более 10⁷ В/см), обеспечивающая холодную эмиссию электронов, которые бомбардируют низковольтный люминофор, вызывая его свечение. Подавая соответствующие напряжения на катодные и анодные полосковые электроды, можно управлять местом расположения светящейся точки на экране, а также вызывать свечение всего экрана или отдельных его участков, т.е. формировать изображение.

Пример конкретного выполнения.

Подложка 1 индикатора изображения изготовлена из оптически прозрачного материала, например кварца, толщиной 1 мм, размером 50×70 мм². Полосковые анодные электроды 2 изготовлены из пленки алюминия и имеют сетчатую структуру, что дает возможность наблюдать изображение по обе стороны от индикатора. Размеры ячейки сетки составляют 10×10 мкм², перемычка между ячейками - 10 мкм, ширина анодных электродов 2-60 мкм, шаг между электродами 2 - 80 мкм,
На противоположных сторонах подложки анодные полосковые электроды 2 объединены по три контактными площадками шириной 220 мкм. Таким образом, шаг между триадами составляет 240 мкм.

Диэлектрический слой 3 выполнен из двуокиси кремния, толщина которого составляет 2 мкм.

Катодные полосковые электроды 4 выполнены из проводящей пленки толщиной 0,10 мкм и расположены на диэлектрическом слое 3 перпендикулярно анодным полосковым электродам 2. Их ширина составляет 220 мкм, шаг между ними - 240 мкм. В местах перекрестий с анодными полосковыми электродами 2 в катодных полосковых электродах 4 выполнены прямоугольные отверстия 60х130 мкм², симметрично расположенные относительно анодных полосковых электродов 2, причем большие стороны отверстия расположены вдоль анодного электрода.

В диэлектрическом слое 3 вытравливали отверстие 62×132 мкм, т.е. таким образом, чтобы эмиттеры 7, выполненные в виде зубчатого лезвия, нависали над отверстиями в диэлектрическом слое на величину радиуса закругления зуба 0,08-0,1 мкм. Шаг t между зубьями составляет 6 мкм (фиг. 3). Кромки зубцов загнуты внутрь на 0,1-0,2 мкм. На рабочие области 5 анодных полосковых электродов 2 высаживали методом катодофореза низковольтный люминофор непосредственно (на чертеже не показано) или высаживали на возвышение 6, высота которого составляет ≈ 2/3 толщины диэлектрика. Размеры зерен составляли 0,1-0,3 мкм. Эту фракцию получали поэтапным осаждением крупных фракций из суспензии, приготовляемой для катодофореза.

Индикатор изображения изготавливают следующим образом.

Анодный полосковый электрод 2 формируют напылением на подложку 1 слоя алюминия с последующей фотолитографией и травлением слоя алюминия. Затем на анодные полосковые электроды 2 и подложку 1 наносят диэлектрический слой 3 двуокиси кремния ионно-плазменным методом и проводящий слой материала катода, после чего методом фотолитографии вытравливают отверстия в проводящем катодном и диэлектрическом слоях. Затем слой проводящего материала катода разбивают на катодные полосковые электроды 4 методом фотолитографии и травления. Далее осуществляют термическое напыление алюминия через свободную маску для закорачивания всех анодных полосковых электродов 2 между собой и катодных полосковых электродов 4 соответственно. Причем системы этих электродов не должны быть закорочены между собой. Затем в отверстия, расположенные в местах перекрестий электродов на рабочие области анодных электродов 5 или на проводящую возвышенность 6, высаживали из раствора методом катодофореза люминофор. Причем на систему анодных полосковых электродов 2 подавали положительный, а на систему катодных полосковых электродов 4 - отрицательные потенциалы. В результате исключается закорачивание катодных полосковых электродов 4 зернами люминофора с анодными полосковыми электродами 2. Кроме того, меняя напряжение, можно регулировать зазор с высокой точностью между слоем люминофора 7 и эмиттерами 8.

При низковольтной катодолюминесценции влияние уменьшения размеров зерна люминофора до 0,1-0,3 мкм сказывается несущественно, что обусловлено малой глубиной проникновения (сотые-тысячные доли микрона) бомбардирующих электронов в зерно.

Заявляемый индикатор может быть выполнен многоцветным, что достигается созданием анодных триад с люминофорами красного, синего и зеленого свечения. Управляющие напряжения при этом остаются теми же, что и для монохромного индикатора. Причем, если на анодные полосковые электроды 2 подавать постоянное пороговое напряжение, при котором автоэлектронной эмиссии еще не возникает, то управляющие напряжения, вызывающие свечение люминофора, могут быть снижены до 30-40 В.

Люминофор высаживается катодофорезом последовательно: сначала, например, красного свечения на каждую третью шину (путем их закорачивания между собой), затем на каждую третью соседнюю шину высаживается зеленый люминофор и т.п.

Прибор испытывали следующим образом. Анодные полосковые электроды 2 закорачивали предварительно напылением проводящей полоски. Индикатор помещали в вакуумную камеру, которую откачивали до 10^-5 мм рт. ст. Катодные полосковые электроды заземляли. На анодные полосковые электроды 2 подавали положительное напряжение. При его значении, равном 80-100 В, появлялось устойчивое свечение всей строчки, содержащей 200 точек. Ток строки составлял 3-4 mA.

Поскольку ток эмиссии зависит от напряжения экспоненциально и свечение люминофора начинается после порогового напряжения (40-50 В), управляющие напряжения могут быть уменьшены на величину порогового напряжения, под которым тогда должны находиться, например, анодные полосковые электроды, либо управляющие напряжения могут быть уменьшены путем подачи разнополярных импульсов на перекрещивающиеся электроды, например, на анодный +50 В, на катодный -50 В.

Данное изобретение может быть использовано в устройствах отображения информации в телевидении высокой четкости, в индикаторных панелях транспортных средств, специальных устройствах типа "Быстрый глаз", "Персональный глазок", в устройствах передачи закодированной информации с высокой плотностью.

Использование: индикатор изображения. Изобретение относится к электронной технике, а именно к вакуумной микроэлектронике, к устройствам отображения информации. Сущность изобретения: индикатор изображения содержит подложку, на которой расположены анодные электроды, диэлектрический слой, на котором выполнены перпендикулярно полосковым электродам катодные электроды. В местах перекрестий в катодных электродах и диэлектрическом слое выполнены отверстия для образования на анодных электродах рабочей области, на которых расположены возвышенности из проводящего материала в виде усеченной формы, верхняя точка которой расположена выше плоскости электрода и покрыта слоем люминофора. Кромка лезвия эмиттеров выполнена зубчатой и нависает над отверстиями в диэлектрическом слое. Вершины зубцов эмиттеров выполнены на противоположных сторонах отверстий, расположенных вдоль анодного электрода, и выступают над анодными электродами на радиус закругления вершины зубца. Индикатор может быть выполнен и без проводящего возвышения. В этом случае слой люминофора покрывает рабочую область анодного электрода непосредственно. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ИНДИКАТОР ИЗОБРАЖЕНИЯ, содержащий подложку, на которой выполнены структуры катодных и анодных электродов, разделенных слоем диэлектрика с образованием ячеек в виде окон в слое диэлектрика и выступающих внутрь ячеек катодных электронов лезвийного типа, отличающийся тем, что анодные электроды выполнены на поверхности подложки в области окон в слое диэлектрика и снабжены люминоформным покрытием, а образующие ячейки окна расположены в местах скрещивания объединяющих ряды катодов и строки анодов соответствующих полосовых электродов. 2. Индикатор по п.1, отличающийся тем, что на рабочей области анодных электродов выполнена возвышенность их проводящего материала, покрытая слоем люминофора. 3. Индикатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что возвышенность выполнена в виде усеченной сферы, верхняя точка которой расположена ниже плоскости катодных электродов. 4. Индикатор по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна кромка лезвия эмиттера в ячейке выполнена зубчатой. 5. Индикатор по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что зубчатыми выполнены кромки противоположных сторон отверстий окон ячеек, расположенных вдоль анодного электрода. 6. Индикатор по п. 5, отличающийся тем, что вершины зубцов эмиттеров выполнены выступающими над анодными электродами на радиус закругления вершины зубца.