ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, МАТРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H01J29/46 H01J29/50 H01J3/02 H01J21/10 H01J21/20 H01J31/12 

Изобретение относится к устройствам эмиссионной электроники и вакуумной микроэлектроники, а более точно к интегральным модулям, включающим различные внутренние системы устройств эмиссионной электроники применительно к автоэмиссионным, термо- и фотокатодам, в том числе с алмазными покрытиями, а также к устройствам на основе автоэлектронной, термо- и фотоэмиссии, таким, как дисплеи, приборы СВЧ-электроники, запоминающие устройства и др.

Известные эмиссионные устройства для случая плоских панелей (дисплеев в частности) условно можно разделить на два класса. Один класс условно можно обозначить формулой "один-один", где напротив каждого катода находится только одна точка-пиксел (воспроизводящая какой-либо вторичный сигнал-пятно после попадания на нее электронного пучка) анода, как источника выходного для данного устройства сигнала, воспроизводимом пятно, которое воспринимается внешним потребителем сигнала и несет определенную информацию о своей единственной координате и (и/или) признаке, например цвете. Другой класс условно можно обозначить формулой "один-множество", где напротив каждого катода находятся две и более точки (упомянутые выше) анода, как источника выходного для данного устройства сигнала, воспроизводимом пятна, воспринимаемые внешним потребителем сигнала, как имеющие разные координаты и несущие определенную информацию каждый о своей, отличной от другой, координате и (и/или) признаке (например, цвете).

С этой точки зрения по предлагаемой в [1] развертке (отклонению электронного пучка) эмиссионное устройство на ее основе следует отнести к первому классу, так как само отклонение пуча в пределах одной точки-пиксела для внешнего потребителя сигнала не приводит к изменению координаты светящегося пятна, а лишь изменяет признак этого пятна (его цвет), что и было задумано в [1]. В устройстве [2] отклонение электронного пучка для внешнего потребителя выходного сигнала данной конструкции приводит к смещению светящегося пятна (изменению его координаты); это устройство можно отнести к второму классу устройств.

Изобретение, рассматриваемое в данной заявке, если принять подобную условную классификацию, следует отнести к второму классу плоскопанельных эмиссионных устройств.

Известны плоскопанельные эмиссионные устройства [2], в которых производится отклонение электронного пучка, вышедшего из катодного узла.

Однако в этом методе недостаток заключается в том, что, во-первых, нет управляющего электрода, позволяющего специальным управляющим схемам работать при малых напряжениях (10-30 В) и через его модуляцию получать воспроизведение информационного сигнала, во-вторых, нет электростатических линз фокусировки, без которых управлять расплывчатым облаком электронов для получения узконаправленного пучка с последующей разверткой весьма проблематично и лишено смысла. При этом эффективность системы, состоящей всего из одной пары отклоняющих электродов, очень низка.

Основными элементами одной из известных электронно-оптических систем (ЭОС) являются катодный узел, включающий по крайней мере один эмиттер, анод, а также пленочный управляющий электрод, и система фокусировки, расположенные между катодным узлом и анодом и отделенные друг от друга изолирующими слоями.

Так в устройстве [3] удачно реализована идея интеграции фокусирующих электростатических линз как технологически осуществляемая совместно с производством управляющего электрода и самого катода на одной единой подложке. Однако такой метод интеграции удобен лишь в отдельных случаях реализации определенного класса катодов.

Для реализации задачи создания плоскопанельного эмиссионного устройства известен подход [4], в котором совмещается множество отдельных эмиссионных устройств. Это устройство включает матричную ЭОС, содержащую по крайней мере две ЭОС, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод. Однако результатом этой конструкции является совмещение традиционных кинескопов, при этом получаемая конструкция очень громоздка и не применима в случаях, когда речь идет о достаточно дешевых плоских экранах толщиной 1 - 2 см и малых потреблениях энергии. Подобную конструкцию нельзя отнести к классу плоских панелей. Этот подход был ранее также предложен в [5], где рассматривалось подобное совмещение экранов.

Известны устройства оптического отображения информации [4], содержащие матричную ЭОС, имеющую по крайней мере две ЭОС, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод, включающий стеклянную подложку, слой люминофора и проводящий прозрачный пленочный слой, содержащий два варианта покрытия: сплошное и сетчатое или сегментарное и сетчатое, причем сегментарное покрытие соединено между собой.

Недостатки этих устройств аналогичны перечисленным для матричной ЭОС.

Предлагаемый вариант дисплея включает все достоинства перечисленных выше устройств и при этом лишен тех недостатков, которые имеются у них. Он технологически прост в осуществлении, так как при его конструировании применяются технологические приемы, широко используемые в электронной промышленности (такие, как фотолитография, интеграция нескольких элементов конструкции в одном модуле, создание матриц элементов и др.), и позволяет достаточно просто получать устройства любых размеров в силу своей модульности. При этом он достаточно оригинален, поскольку решает указанные проблемы, не решенные другими устройствами, предлагая новую ступень в технологической интеграции модулей эмиссионных устройств.

Предлагаемая интеграция предполагает получение катода или матрицы катода на отдельной подложке, что значительно расширяет круг используемых в эмиссионном устройстве катодов, не ограничивая его спектр какими-либо первоначально заданными параметрами. Учитывая, что создание качественных катодов в настоящее время является главным в эмиссионных приборах, подход, предлагаемый в настоящей заявке имеет большое значение. При этом технологически осуществление сборки трех модулей - катодного, управляюще-фокусирующе-отклоняющего и анодного - приготовленных автономно и только затем объединенных в единое устройство, увеличивает выход годных (небракованных) эмиссионных устройств, так как объединение различных технологических процессов в единый приводит к умножению вероятности получения брака, а для совмещения в ряду непрерывных процессов такого, как создание катодного узла, является шагом, усложняющим весь технологический процесс.

Эмиссионное устройство представляет собой ЭОС, содержащую катодный узел, включающий по крайней мере один эмиттер, анод, а также пленочный управляющий электрод и систему фокусировки, расположенные между катодным узлом и анодом и отделенные друг от друга изолирующими слоями, при этом между системой фокусировки и анодом введена отклоняющая система, выполненная как единый отдельный электродный модуль с управляющим электродом и системой фокусировки, обеспечивающая отклонение электронного пучка на угол α, где α - угол отклонения от "вертикали" - прямой, соединяющей центр катодного узла и ближайшую точку на аноде и задаваемый соотношением 0 < α < 90. Катодный узел может быть выполнен за одно целое с подложкой. В качестве эмиттера могут быть использованы автокатод (полевой эмиттер), фотокатод или термокатод. Управляющим электродом может быть перфорированная диэлектрическая пластина с отверстиями, затянутыми проводящей пленочной сеткой. Система фокусировки содержит более двух пленочных электродов, имеющих разный потенциал по величине и по знаку, при этом электроды подобраны по своим потенциалам таким образом, чтобы создать для силовых линий электрического поля, идущих от анода, условия возможности образования в области катодного узла "купола", охватывающего всю область катодного узла, при этом вершина "купола" должна находиться на уровне последнего электрода системы фокусировки относительно прохождения пучка электронов, вышедших с катода. Фокусирующая и отклоняющая системы могут быть в виде электромагнитных обмоток. А отклоняющая система также может быть выполнена в виде многоступенчатой системы пленочных электродов с профилем в виде прямой линии, а также в виде вогнутой или выгнутой из области между анодом и катодом, расположенных вдоль траектории электронного пучка, вышедшего с катода и разгоняющегося в электрическом поле анода.

Матричная ЭОС содержит по крайней мере две ЭОС, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод, при этом управляющий электрод, выполненный пленочным, система фокусировки и отклоняющая система всех электронно-оптических систем соединены изолирующими слоями так, что образуют единый отдельный матричный электродный модуль. Катодные узлы всех ее ЭОС выполнены на единой подложке регулярно и системным образом. Причем все ЭОС такой матричной системы могут быть реализованы указанными конструктивными особенностями. Отклоняющая система может быть выполнена в виде электромагнитных обмоток, а между матричным электродным модулем и анодом введен конусный спейсер, размещенный своим основанием на границе двух ЭОС. Отклоняющая система всех ЭОС имеет свои или общие электрические выводы.

Поставленная задача также решается в устройстве оптического отображения информации, содержащем матричную ЭОС, имеющую по крайней мере две ЭОС, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод, включающий стеклянную подложку, слой люминофора и проводящий прозрачный пленочный слой, содержащий два варианта покрытия: сплошное и сетчатое или сегментарное и сетчатое, причем сегментарное покрытие соединено между собой. При этом управляющий электрод, выполненный пленочным, система фокусировки и отклоняющая система всех электронно-оптических систем соединены изолирующими слоями так, что образуют единый матричный электродный модуль. В устройстве, имеющем первый вариант покрытия, сплошное покрытие расположено между стеклянной подложкой и слоем люминофора. В устройстве, имеющем второй вариант покрытия, между стеклянной подложкой и слоем люминофора расположено сетчатое покрытие. Причем все ЭОС этих устройств могут быть реализованы указанными конструктивными особенностями.

Предлагаемая конструкция позволяет работать с широким спектром катодов, таких, как термо-, авто- и фотоэмиссионные катоды. Согласно данному изобретению эта конструкция становится возможной благодаря тому, что модульность конструкции и способа ее реализации универсальна для всех типов катодов. Универсальность эта достигается помещением между анодом и катодом интегрального электродного модуля, включающего управляющий электрод, систему фокусировки и отклоняющую систему. Причем для большинства устройств такой электродный модуль может быть реализован в едином технологическом процессе. При этом катодный узел может быть представлен одиночной излучающей точкой; также группой излучающих точек, состоящей из M точек, где M - целое число от единицы и более; также одиночным эмиттирующим острием; также группой эмиттирующих остриев, состоящей из K остриев, где K - целое число от единицы и более.

Кроме того, изобретение в силу универсальности электродного модуля позволяет сделать плоскопанельное эмиссионное устройство с любой заранее выбранной площадью, начиная, в случае с дисплеем, с площади в единицы миллиметров и вплоть до размеров площади экрана в единицы метров.

Изобретение также может быть использовано в создании запоминающего устройства, если в качестве анода использовать матрицу-мишень, содержащую в каждой отдельной элементарной ячейке (памяти) материал, позволяющий при попадании на него электронного пучка переходить из одного заданного устойчивого состояния в другое.

И компоненты заявляемого устройства, и их размещение находятся в микронном и миллиметровом диапазоне размеров, что значительно упрощает технологию изготовления прибора и снижает его входную емкость, что обеспечивает ему хорошие высокочастотные характеристики.

На фиг. 1 и 2 изображена ЭОС, полученная описанным ранее [3] интеграционным методом создания устройства полевой эмиссии и содержащая подложку 101 (системы) катодных узлов, катодный узел 102, управляющий электрод 201, систему 202 пленочных фокусирующих электродов, изолирующие слои 204.

На фиг. 3 и 4 изображена матричная ЭОС, полученная описанным ранее методами [4,5] совмещения множества экранов в единый экран и содержащая, отклоняющую систему 203, угол α - отклонения от "вертикали" 208, анод 300.

На фиг. 5 изображена ЭОС, выполненная с использованием электродного модуля 200 (п.1) и содержащая катодный модуль 100, электродный модуль 200, угол α - отклонения от "вертикали" 208, где анод (модуль) 300.

На фиг. 6 изображена матричная подложка с катодными узлами (п.14).

На фиг. 7 и 8 изображена матричная ЭОС, где в каждой отдельной ЭОС функцию системы фокусировки осуществляет система пленочных электродов с различными потенциалами, а отклоняющая система выполнена в виде электромагнитных обмоток (пп.7 и 9/в части соответствия п.7/). ЭОС содержит обмотки 202 электромагнитной отклоняющей системы, спейсер 205 между матричным электродным модулем 200 и анодом.

На фиг. 9-11 изображена матричная ЭОС, где в каждой отдельной ЭОС функцию системы фокусировки осуществляет система пленочных электродов с различными потенциалами, а отклоняющая система выполнена в виде многоступенчатой системы пленочных электродов, разделенных изолирующими слоями, имеющая различные профили катушки (пп. 7 и 10-12 /в части соответствия п.7/). ЭОС содержит многоступенчатую систему 206 пленочных электродов, разделенных изолирующими слоями.

На фиг. 12 и 13 изображена матричная ЭОС, где в каждой отдельной ЭОС функцию системы фокусировки осуществляет электромагнитная катушка, при этом отклоняющая система выполнена в виде электромагнитных обмоток (пп. 8 и 9/в части соответствия п.8/). ЭОС содержит обмотки 207 электромагнитной системы фокусировки.

На фиг. 14-16 изображена матричная ЭОС, где в каждой отдельной ЭОС функцию системы фокусировки осуществляет электромагнитная катушка, а отклоняющая система выполнена в виде многоступенчатой системы пленочных электродов, разделенных изолирующими слоями, имеющая различные профили (пп. 8 и 10-12/в части соответствия п.8/).

На фиг. 17 изображено взаиморасположение отдельных миниэкранов - сплошных участков пленочного прозрачного проводника и сетки пленочного прозрачного проводника, нанесенного по периметру миниэкрана, соответствующего каждой ЭОС (п.16).

На фиг. 18 и 19 изображена структура анода с двумя различными взаиморасположениями пленочных прозрачных проводящих слоев (п.15) - сплошного и сеточного, а также (п. 16) сегментарного и сеточного. Анод содержит люминофор 301, сплошной пленочный прозрачный проводящий слой 302, сегментарный пленочный прозрачный проводящий слой 303, сеточный пленочный прозрачный проводящий слой 304, стекло 305.

Сложность, с которой в настоящее время сталкиваются [6] при изготовлении приборов на базе эмиссионных устройств состоит в том, что свечение различных участков неодинаково и в каждом из таких участков можно наблюдать свечение отдельных остриев, которое сопровождалось мерцанием и колебанием (ползучестью) около своего основного положения точки свечения.

Предлагаемый в изобретении модульный вариант эмиссионного устройства позволяет управлять током эмиссии, что приведет к постоянному либо свечению, либо его отсутствию, вместо произвольного мерцания; сфокусировать электронный пучок, вышедший с катода, и, разгоняя электрон, отклонить на необходимый угол развертки, получая при этом свечение в точке экрана с заранее заданной координатой.

Другая сложность, с которой также сталкиваются при создании приборов на базе эмиссионных, состоит в том, что определенный материал, из которого удачно получают ровные катодные узлы, требует прикладывания достаточно высоких управляющих напряжений для преодоления потенциального барьера на выходе электрона из тела катода.

Предлагаемый в изобретении интегральный модуль 200 позволяет, применив заранее выбранную геометрию и спецификацию его составных элементов для каждого типа катодов, получить максимальный результат, усилив его в дальнейшем и проведя ряд калибровочных действий всех систем этого модуля: управляющих электродов, системы фокусировки и отклоняющей системы.

Изобретение позволяет (в частном случае своего применения - дисплее) создать миниэкран (минидисплей) большого разрешения и очень малых размеров, например площадью 25 мм². Для этого потребуется всего один катодный узел, эмиттируемый пучок электронов с которого будет обрабатываться одноячеечным интегральным модулем 200, который после ряда преобразований будет осуществлять развертку этого пучка в информационную картину, отражаемую на миниэкране (минидисплее).

Также предлагаемый в изобретении способ реализации позволяет создать эмиссионные устройства с большими экранами, причем без каких-либо принципиальных осложнений. Действительно, ниже описывается матричное эмиссионное устройство (матричная электронно-оптическая система).

а) На монокристаллической кремниевой пластине-подложке размерами 196 мм² методом, описанным в [6] , создается матрица 1 (фиг. 6) катодных узлов: 3 ряда по 3 катодных узла в каждом ряду, при этом каждый такой катодный узел состоит из 9 (3х3) остриев; расстояние между катодными узлами по 4 мм.

б) Четыре (или любое другое количество) матрицы 1, полученные согласно (а), укладываются на изоляционную подложку, например стеклянную, так, чтобы получить совокупную матрицу 2 - модуль 100, состоящий соответственно из 36 (6 x 6) катодных узлов.

в) Соответственно полученному катодному модулю 100 создается (в случае с остриями, полученными согласно указанной выше технологии) интегральная электродная матрица - интегральный модуль 200 с количеством ячеек, равным 36, симметрично катодным узлам, полученным согласно (б), который затем накладывается на указанную матрицу управляющими электродами вниз так, как это показано на фиг. 7-13.

г) На полученную согласно (в) конструкцию устанавливается последний модуль 300 данной конструкции - анод (фиг. 17), созданный в соответствии с параметрами модулей 100 и 200.

д) Полученную в результате последовательных операций (а) - (в) конструкцию помещают в вакуумно-плотный корпус, имеющий электрические выводы катода, сетки управляющих электродов, системы фокусировки, отклоняющей системы и анода, вакуумируют и герметизируют.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкциям электронно-оптических систем. Сущность изобретения: предлагается конструкция электронно-оптической системы, основанная на модульном подходе при ее создании - катодный, электродный и анодный модули. При этом каждый из них реализован автономно. Универсальность электродного катода, включающего управляющий электрод, выполненный пленочным, систему пленочных электродов фокусировки, а также отклоняющую систему, реализованную различными способами, в зависимости от необходимых параметров устройств и затрат на его реализацию, позволяет работать с любым катодным модулем с единственным ограничением: катодный модуль должен быть реализован на плоской подложке. Также предлагается конструкция матричной электронно-оптической системы, которая состоит из множества описанных выше электронно-оптических систем. При этом на катодный модуль накладывается второе дополнительное ограничение: расстояние между катодными узлами должны быть заданными. На основе такой конструкции предлагается устройство для оптического отображения информации (дисплей), в котором адресация обеспечивается отклоняющей системой (развертки электронного пучка). Предложены варианты решения анодного модуля в конкретном устройстве-дисплее. 4 с. и 18 з.п.ф-лы, 19 ил.

1. Электронно-оптическая система, содержащая катодный узел, включающий по крайней мере один эмиттер, анод, а также пленочный управляющий электрод и систему фокусировки, расположенные между катодным узлом и анодом и отделенные друг от друга изолирующими слоями, отличающаяся тем, что между системой фокусировки и анодом введена отклоняющая система, выполненная как единый отдельный электродный модуль с управляющим электродом и системой фокусировки, обеспечивающая отклонение электронного пучка на угол α′, где α - угол отклонения от "вертикали" - прямой, соединяющей центр катодного узла и ближайшую точку на аноде и задаваемый соотношением 0 < α < 90.
2. Система оп п. 1 отличающаяся тем, что катодный узел выполняется заодно с подложкой. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что эмиттер катодного узла выполнен в виде автокатода (полевого эмиттера). 4. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что эмиттер катодного узла выполнен в виде фотокатода (вторичного полевого эмиттера). 5. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что эмиттер катодного узла выполнен в виде термокатода. 6. Система по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что управляющий электрод выполнен в виде перфорированной диэлектрической пластины, отверстия в которой затянуты проводящей пленочной сеткой. 7. Система по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что система фокусировки содержит более двух пленочных электродов, имеющих разный потенциал по величине и по знаку, при этом электроды подобраны по своим потенциалам таким образом, чтобы создать для силовых линий электрического поля, идущих от анода, условия возможности образования в области катодного узла "купола", охватывающего всю область катодного узла, при этом вершина "купола" должна находиться на уровне последнего электрода системы фокусировки относительно прохождения пучка электронов, вышедших с катода. 8. Система по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что фокусирующая система выполнена в виде системы обмоток электромагнитной катушки. 9. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что отклоняющая система выполнена в виде обмоток электромагнитной катушки. 10. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что отклоняющая система выполнена в виде многоступенчатой системы пленочных электродов с профилем в виде прямой линии, расположенных вдоль траектории электронного пучка, вышедшего с катода и разгоняющегося в электрическом поле. 11. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что отклоняющая система выполнена в виде многоступенчатой системы пленочных электродов с профилем в виде линии, вогнутой в область между анодом и катодом, расположенных вдоль траектории электронного пучка, вышедшего с катода и разгоняющегося в электрическом поле анода. 12. Система по п. 7 или 8, отличающаяся тем, что отклоняющая система выполнена в виде многоступенчатой системы пленочных электродов с профилем в виде линии, выгнутой из области между анодом и катодом, расположенных вдоль траектории электронного пучка, вышедшего с катода и разгоняющегося в электрическом поле анода. 13. Матричная электронно-оптическая система, содержащая по крайней мере две электронно-оптические системы, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод, отличающаяся тем, что управляющий электрод, выполненный пленочным, система фокусировки и отклоняющая система всех электронно-оптических систем соединены изолирующими слоями так, что образуют единый отдельный матричный электродный модуль. 14. Система по п.13, отличающаяся тем, что катодные узлы всех ее электронно-оптических систем выполнены на единой подложке регулярно и системным образом. 15. Система по п.13 или 14, отличающаяся тем, что каждая ее электронно-оптическая система имеет конструкцию по пп.1 - 12. 16. Система по п.13 или 14, отличающаяся тем, что отклоняющая система каждой электронно-оптической системы выполнена согласно п.9, а между матричным электродным модулем и анодом помещен конусный спейсер, своим основанием размещенный на границе двух электронно-оптических систем. 17. Система по любому из пп.13 - 16, отличающаяся тем, что отклоняющие системы всех электронно-оптических систем имеют общие электрические выводы. 18. Система по любому из пп.13 - 16, отличающаяся тем, что отклоняющие системы всех электронно-оптических систем имеют свои отдельные электрический выводы. 19. Устройство для оптического отображения информации, содержащее матричную электронно-оптическую систему, содержащую по крайней мере две электронно-оптические системы, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод, включающий стеклянную подложку, слой люминофора и проводящий прозрачный пленочный слой, содержащий два покрытия - сплошное и сетчатое, отличающееся тем, что управляющий электрод, выполненный пленочным, система фокусировки и отклоняющая система всех электронно-оптических систем соединены изолирующими слоями так, что образуют единый матричный электродный модуль, при этом сплошное покрытие расположено между стеклянной подложкой и слоем люминофора. 20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что каждая ее электронно-оптическая система имеет конструкцию по пп.1 - 12. 21. Устройство для оптического отображения информации, содержащее матричную электронно-оптическую систему, содержащую по крайней мере две электронно-оптические системы, каждая из которых включает катодный узел, содержащий по крайней мере один эмиттер, управляющий электрод, систему фокусировки, отклоняющую систему и анод, включающий стеклянную подложку, слой люминофора и проводящий прозрачный пленочный слой, содержащий два покрытия - сегментарное и сетчатое, причем сегментарное покрытие соединено между собой, отличающееся тем, что управляющий электрод, выполненный пленочным, система фокусировки и отклоняющая система всех электронно-оптических систем соединены изолирующими слоями так, что образуют единый матричный электродный модуль, при этом сетчатое покрытие расположено между стеклянной подложкой и слоем люминофора. 22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что каждая ее электронно-оптическая система имеет конструкцию по пп.1 - 12.