Накальный вакуумный экран Советский патент 1993 года по МПК H01K7/04 H01K9/00 

Изобретение относится к области индикаторной техники и может быть использова- но для отображения графической, буквенно-цифровой и мнемонической информации в условиях интенсивной внешней освещенности и полной темноты.

Известны лампы каналивания обычного исполнения (15, 25, 40. 60, 75, 100 Вт) или миниатюрные (CM-37; CM-28-2,8; HCM-9 60), содержащие вакуумную оболочку (баллон) с цоколем, внутри которой расположен держатель с металлическими штырями, к которым присоединена вольфрамовая нить в виде спирали 1.

Недостатком ламп накаливания являются: небольшой срок их службы, тело накала составляет малую часть в объемно-весовом показателе всей конструкции лампы, что

обуславливает громоздкость конструкции устройств отображения информации индивидуального и группового пользования при необходимой для информационной емкости, в некоторых случаях неприемлемость ее из-за больших объемно-весовых показателей.

Известны накальные индикаторы, содержащие вакуумированную цилиндрическую оболочку с пальчиковой ножкой, со штенгелем и выводами, внутри оболочки (баллона) вдоль или поперек расположена плата со сквозными металлическими штырями (траверсами), между которыми закреплены вольфрамовые нити, внутри оболочки размещен газопоглотитель, траверсы соединены с выводами ножки 2.

00

XI ю

Недостатками макальных индикаторов являются: цилиндрическая вакуумирован- ная оболочка, которая обуславливает блики при визуальном считывании отображаемой информации, громоздкость конструкции ин- дикатора, а также тот факт, что в вакуумиро- ванной оболочке реализуют либо одну цифру, либо одну букву, что является сдер- живающим моментЬм в развитии устройств отображе ния й нфо:рмации.

Йзвебтны нак1льНые индикаторы, содержащие плоский вакууми.рованный прямоугольный корпус с прозрачной лицевой панелью, на обратной стороне корпуса расположены жесткие выводы и штенгель, в корпусе размещена плата со сквозными металлическими штырями, к которым присоединены вольфрамовые нити 3.

Недостатком накальных индикаторов является использование в качестве тела на- кала тонких вольфрамовых нитей диаметром 7-14 мкм; это обусловлено требованиями энергопотребления, но в свою очередь накладывает ограничения на дальность считывания отображаемой ин- формации, так как в условиях интенсивной внешней освещенности визуально воспринимается эта малая толщина нити. Кроме того, специфика крепления нити накала и обеспечение к ней токоподвода затрудняет повышение информационной емкости отображения информации и миниатюризацию конструкций индикатора в Целом.

Известен макет конструкции макального индикатора, выбранного в качестве про- тотипа, содержащий вакуумированную оболочку с внешними выводами, внутри ко торой расположена сапфировая подложка, на которой нанесены пленочные элементы накаливания из вольфрама с монркристал- лической структурой и схема токовой разводки, под элементами накаливания в сапфировой подложке имеют место углубления 4.. : - : Недостатком макета индикатора на пленках вольфрама является то, что схема токовой разведки, выполненная на плоскости сапфир овой подложки, занимает большую площадь на информационном поле индикатора, что является препятствием для увеличения информационной емкости индикатора и миниатюризации конструкции в целом, при существующей конструкции невозможно отображение графической ин- формации. Кроме того, накальные элементы, выполненные в виде гребенки, при нагреве .скручиваются из-за термомеханических напряжений и имеют небольшой срок службы.

Цель изобретения - миниатюризация и увеличение долговечности экрана при универсальном характере отображения информации (буквенно-цифровой, мнемонической, графической).

Поставленная цель достигается тем, что в начальном вакуумном экране, содержащем оболочку, состоящую из герметично соединенных баллона, выполненного из прозрачного материала, и пластины, выполненной высокотемпературного окисла, на которой расположены пленочные накальные элементы из тугоплавкого материала, под которыми в указанной пластине выполнены отверстия, заполненные токопроводя- щим материалом, и углубления, количества N накальных элементов, длина I и ширина Н накального элемента и площадь S пластины выбраны в соотношении

0,14

В научно-технической литературе не известен накальный вакуумный экран, в котором взаимное расположение элементов конструкции было бы идентично заявленному. Расположение элементов не является тривиальным, а выявлено на основе проведения многочисленных экспериментальных исследований.

Предлагаемая конструкция позволяет достичь большой положительный эффект по реализации миниатюрного и долговечного устройства, предназначенного для отображения буквенно-цифровой, мнемонической, графической информации в условиях интенсивной внешней освещенности, уменьшение объема и веса экрана, улучшение качества отображаемой информации. Таким образом, заявляемое решение соответствую ет критерию существенные отличия.

На фиг. 1 приведен накальный вакуумный экран, поперечный разрез; на фиг. 2 - показан вид экрана сверху, где 1 - пластина из монокристаллическогр высокотемпературного окисла; 2 - прозрачный баллон; 3.- герметичный шов по периметру пластины 1 и баллона 2; 4 - пленочный накальный элемент; 5 -углубление под накальным элементом 4 в пластине 1; б - токопроводящие штыри; 7- контактная площадка накального элемента 4; 8 - штенгель; 9 - геттер,

В общем виде накальный вакуумный экран представляет собой пластину из высокотемпературного окисла 1 и размещенный над ней с зазором прозрачный баллон 2. соединенные между собой по периметру герметичным швом 3. На пластине 1 расположены пленочные накэльные элементы 4.

являющиеся растровыми точками экрана. В пластине 1 под каждым макальным элементом 4 расположено изолирующее углубление 5, таким образом обеспечивается минимальная площадь контакта макального элемента 4 с пластиной 1, что является определяющим фактором для минимальных потерь тепла теплопроводностью и, следовательно, для минимального энергопотребления экрана. В пластине 1 выполнены отверстия, расположенные под контактными площадками 7 начальных элементов 4 и заполненные токопроводящим материалом, таким образом формируются штыри 6 для подвода электроэнергии к макальным элементам 4. Каждый штырь 6 контактируют с соответствующей контактной площадкой 7 макального элемента 4. Из объема между пластиной 1 и баллоном 2 откачан воздух через штенгель 8, в этом объеме расположен геттер 9.

Накальный вакуумный экран работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на штыри 6, служащие выводами экрана, происходит нагрев соответствующих накальных элементов 4 до бело-желтого цвета свечения, При снятии питающего напряжения накальные элемент ты 4 остывают и прекращают излучать свет. Пример конкретного выполнения, Накальный вакуумный экран выполнен следующим образом. В сапфировой пластине методом лазерной обработки изготовлены отверстия. На сапфировую пластину с отверстиями методом газофазной эпитак- сии нанесен слой вольфрама со структурой монокристалла. Толщина пластины и диаметр, отверстий выбраны с учетом того, чтобы отверстия в пластине получались металлизированными. Из слоя вольфрама методом фотолитографии сформированы накальные элементы, например, в виде буквы S. Сапфировая пластина совмещена со стеклянной пластиной со сквозными металлическими проводниками для обеспечения контактирования проводника с контактными площадками макальных элементов, и по периметру между пластинами сформирован вакуумноплотный шов с помощью ситалло- цемента. В этом случае использован другой способ формирования токопроводящих штырей экрана. Установлены штенгель и геттер. На лицевую поверхность сарфиро- вой пластины наложен стеклянный плоский баллон и по периметру между ними сформирован вакуумноплотный шов с помощью си- таллоцемента. Из объема между плоским стеклянным баллоном и лицевой поверхностью сарфировой пластины откачен воздух

до 10 мм рт.ст., отпаян штенгель и проведено распыление геттера. .

В указанном примере использованы готовые стеклянные пластины со сквозными металлическими проводниками заданной толщины и определенной формы упаковки на ее поверхности, изготовленные по методу микрокальных пластин, Эти пластины предварительно подвергались травлению с

целью формирования металлических проводников заданной высоты.

В результате проведения экспериментальных работ выполнен макальный экран на основе пленок вольфрама, В сапфировой

пластине размером 24x35x0,3 мм с помощью светолучевого станка 4Р222Ф2 была сформирована система отверстий диаметром 50 мкм с расстоянием между отверстиями 1,1 мм. (Набег между центрами

отверстий, изготовленных с помощью указанного станка, на базе 300 мм составляет +30 мкм). Используемые в конструкции экрана стеклянные пластины со сквозными металлическими проводниками изготавливались из исходных стеклянных трубок, в которые помещались проволока из платинита. Трубки с помещенной в них проволокой соединены в пучки требуемой конфигурэ- ции в виде гексагональной укладки и протягивались многократно до нужного размера с заданным диаметром канала. Затем пучки, полученные с заданной конфигурацией и диаметром каналов, спекались между собой. Полученный блок разрезали на пластины, торцы которых шлифовали и полировали. При этом получались стеклянные пластины со сквозными проводниками с минимальным диаметром не менее 10 мкм и расстоянием между проводниками 10 мкм

с точностью ±1 мкм. Таким образом, при

существующих технологиях изготовления

возможно достаточно точное совмещение

отверстий в сапфировой пластине с проводниками стеклянной пластины несмотря на

то, что их количество может достигать нескольких тысяч.

Отверстия, изготовленные с помощью лазера, имеют конусообразную форму, что облегчает условия сопряжения с металлическими проводниками стеклянной пластины. Стеклянная пластина со сквозными металлическими проводниками перед сборкой подвергались избирательному химическому травлению с целью обнажения металлических проводников, При этом концы металлических проводников заострены, что также способствует лучшему сопряжению их с металлизированными конусообразными отверстиями в сапфировой пластине.

Газофазной эпитаксией из гексафтори- да вольфрама (WFe) на установке УНЕС- 2ПКА на сапфировую пластину наносили монокристаллический слой вольфрама толщиной 1 мкм. В качестве газоносителя использовался очищенный водород. Нагрев пирамиды с сапфировыми пластинами размером 24х35хО;3 мм3 осуществлялся токами высокой частоты до Т 700-800°С. Скорость роста вольфрама варьировалась дозирова- нием с помощью вентиля давления паров WFe и составляла 1 мкм/мин. Методом фотолитографии из слоя вольфрама были сформированы накальные элементы в виде буквы S длиной 3 мм, шириной дорожки 45 мкм с контактными площадками 100x100 мкм2, занимающие площадку информационного поля экрана размером 1,7x1,7 мм2. В сапфировой пластине под на- кальными элементами были изготовлены изолирующие углубления. Сапфировая пластина совмещалась со стеклянной пластиной размером 24x335x3 мм3 со сквозными металлическими проводниками из платинита диаметром 0,37 мм и расстоянием между проводниками 1,7мм. Следует заметить, что точность изготовления системы отверстий в сапфировой пластине и точность размещения сквозных проводников стеклянной пла- стины обеспечивает их сборку. Формирование по периметру между ними вакуумноплбтнрго шва проводилось с помощью ситаллоцемента СЦН 84-2. На лицевую поверхность сапфировой пластины накладывался плоский стеклянный баллон размером 24x35x1,2 мм3, и с помощью сй- таллоцемента СЦН 84-2 формировался ва- куумноплотный шов между пластиной и баллоном. Затем устанавливали штенгель и геттер. В завершении производили откачку воздуха, отпайку штенгеля и распыление геттера. Потребляемая мощность каждой растровой точки экрана составляла 65 мВт при питающем напряжении 3,0 В. Количество растровых точек в данном макета экрана составляло 56 штук.

Соотношение между количеством накальных элементов и геометрическими размерами накальных элементов и подложки

-g- i 0,14 справедливо в условиях дополнительного охлаждения накального экрана, например, экран помещен на мощный теплоотвод (холодильник) или охлаждается холодным воздушным потоком (вынужденная конвекция). В условиях естественной конвекции (т.е. экран находится в спокойном воздушном пространстве) это соотношение имеет вид 0,05-0,06.

Величина 0,14 является максимально возможной и только при оптимальных геометрических размерах накальных элементов, так как площадь квадрата поверхности подложки, на котором размещен накальный элемент, в 7 раз больше поверхности накального элемента и, кроме того, между на- кальными элементами на поверхности имеются некоторые зазоры для обеспечения электрической изоляции накальных элементов друг от друга.

При этом оптимальными (с точки зрения долговечности при максимально возможном числе накальных элементов) геометрическими размерами накальных элементов считываются те, что подчиняются соотношению рр 50+60 при Н 20-60 мкм при

толщине накального элемента 1 мкм. Такая толщина пленки накального элемента использована ив прототипе, она выбиралась из условия оптимального поверхностного сопротивления и механической прочности накальных элементов. Отметим,

что форма накального элемента может быть

различной, но предпочтение следует отдать

сглаженным формам без углов, например,

S-образной, в виде плоской спирали и т.д.

В предлагаемом нами соотношении I/H

50-60 при Н 20+60 мкм нижние границы значений ширины Н при соответствующих значениях длины I. определяются пределом прочности накальных элементов. Кроме того, нижний предел значений Н выбран нами

равным 20 мкм, и, следовательно, I 1-1,2 мм, так как пир меньших значениях этих величин резко возрастают относительные потери подводимой мощности по подводящим штырям, поперечное сечение которых

в этом случае становится очень маленьким и поэтому их Термические и электрические сопротивления резко возрастают. А верхний предел Н 60 мкм и, следовательно, I 3-3,6 мм определяется требованиями миниатюризации экрана и ограничением потребления мощности на один знак, тем более, что увеличение изображения можно получить, используя на один знак не 5x7 элементов, а, например, 7x9, 9x12 и т.д. и

получить изображение знака любого размера.

Покажем, к чему приводит несоблюдение указанных соотношений.

П р и м е р 1. При значении длины

накального элемента, выходящем за пределы соотношения I/H 50-60 при Н 20-60 мкм, например, I 5 мм; подсчитаем, сколько знаков размещается на 100 см2 подложки. Поскольку один знак занимает площадь (I/3) , получим ЗбОО знаков. На той же площади при значении длины, удовлетворяющем предлагаемому соотношению, например, I 3,6 мм, размещается уббОО знаков. Как видно, в случае удовлетворения предлагаемым соотношениям на той же площади размещается почти в 2 раза больше знаков. П р и м е р 2. Пусть I и Н удовлетворяют соотношению 1/Н 50-60, но Н выходит за пределы значений Н 20-60 мкм, например, I 5. мм, Н 100 мкм. В этом случае,

согласно формуле . 0,14, на 100

см2 подложки размещается 2800 знаков, т.е. также значительно меньше, чем в случае, когда I и Н удовлетворяют предлагав- мым соотношениям.

Пример 3. Пусть Н удовлетворяет условию Н 20+60 мкм, например, Н 20 мкм, но I выбрано не из соотношения 1/Н 50+60, а, например, I 4 мм. В этом случае у накального элемента будет превышен предел прочности в несколько раз, и он будет неработоспособным.

Используя предлагаемое соотношение для 1/Н, реализуется точка размером от 0,35x0,35 мм2 (длина накального элемента Г 1 мм, ширина Н 20 мкм} до 1x1 мм2( 3 мм, Н 60 мкм) и потребляемой мощностью от 20 до 75 мВт. При отображении буквен- но-цифровой информации это обеспечивает высоту знака, состоящего из 5x7 растровых точек, от 2,5 до 7 мм и потребляемую мощность от 0,5 до 1,5 Вт. При отображении графической информации наименьшая тол- щина линий определяется масштабом рас- тровой точки. Время включения растровой точки составляет от десятков до единиц мил- лисакунд в зависимости от режима источника питания.

Равномерное и плотное расположение накальных элементов на поверхности подложки делает предлагаемый нахальный экран универсальным, т.е. с его помощью

возможно отображение не только буквенно- цифровой, но и мнемонической, и графической информации, Предлагаемый экран на основе пленочных накальных элементов является конструкцией, не имеющей зарубежных аналогов. Впервые предлагается реализовать конструкцию экрана, в котором без дополнительного охлаждения на площади 100 см2 размещается до 3000 знаков, что в 4-5 раз больше, чем в прототипе. За счет выявленного соотношения геометрических размеров накальных элементов и подложки и оптимизации геометрических размеров самих накальных элементов долговечность накального экрана повышена не менее, чем в 6 раз.

Таким образом, по сравнению с существующим накальным индикатором предлагаемый экран обладает существенным преимуществом по объемно-весовым показателям, по долговечности работы и качеству отображаемой информации.

Формула изобретения Накальный вакуумный экран, содержащий оболочку, состоящую из герметично со- единенных баллона, выполненного из прозрачного материала, и пластины, выполненной из высокотемпературного окисла, на которой расположены пленочные накаль- ные элементы из тугоплавкого материала, пой которыми в указанной пластине выполнены отверстия, заполненные токопроводя- щим материалом, и углубления, отличаюийся тем, что, с целью миниатюризации увеличения долговечности экрана при универсальном характере отображения инфорации, количество N накальных элементов, лина I и ширина Н, накального элемента и лощадь S пластины выбраны в соотношеии

-ЬНЦ i о,14.

Фиг.1

Использование: в индикаторной технике для отображения графической буквенно- цифровой и мнемонической информации. Сущность. На пластине, выполненной из высокотемпературного окисла и расположённой с зазором по отношению к баллону из прозрачного материала, установлены на- кальные элементы, количество N, длина I и ширина Н которых выбраны в зависимости от площади S пластины в соотношении: 0.14. 2 ил.

А-А