Накальный вакуумный экран

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ч)5 Н 01 К 7/04 9/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О (ф 4

Ю (21) 4950967/07 (22) 27,06.91 (46) 30,01,93. Бюл. N. 4 (71) Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете (72) А,С. Олейник, М.И. Григорьева, Н.В.

Корнеева, В.С. Папков и И.В. Алябьев (56) 1. Литвак И.И. и др. Основы построения аппаратуры отображения в автоматизированных системах. M., "Cos. радио", 1975, с.

352.

2, Вуколова В.И., Михайлова А.Н. 3накосинтезирующие индикаторы. — Справочник /Под ред, Балашова В,П. M.; "Радио и связь", 1987, с.576.

3. Краткий каталог фирмы "Refac

Electronic Corporat! on" на "Накальные индикаторы типа Pinllte", апрель, 1977, США.

° 4, Авторское свидетельство СССР

N 539345,,кл. Н 01 К 3/02, 1974.

Изобретение относится к области индикаторной техники и может быть использовано для отображения графической, буквенно-цифровой и мнемонической ин-, формации в условиях интенсивной внешней освещенности и полной темноты, Известны лампы каналивания обычного исполнения (15, 25, 40. 60, 75, 100 Вт) или миниатюрные (CM-37, СМ--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. Ж „1791872 А1 (54) НАКАЛЬНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ЭКРАН (57) Использование: в индикаторной технике для отображения графической буквенноцифровой и мнемонической информации.

Сущность. На пластине, выполненной из высокотемпературного окисла и расположенной с зазором по отношению к баллону из прозрачного материала, установлены накальные элементы, количество N, длина! и ширина Н которых выбраны в зависимости от площади S пластины в соотношении, й!Н 0,14, 2 ил. 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), 1791872

NI Н < <014

Недостатками накальных индикаторов являются: цилиндрическая вакуумированная оболочка, которая обуславливает блики при визуальном считывании отображаемой информации, громоздкость конструкции индикатора, а также тот факт, что в вакуумированной оболочке реализуют либо одну цифру, либо одну букву, что является сдерживающим моментом в развитии устройств отображения информации.

Известны накальные индикаторы, содержащие плоский вакуумированный прямоугольный корпус с прозрачной лицевой панелью, на обратной стороне корпуса располо>кены 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 накала тонких вольфрамовых нитей диаметром 7 — 14 мкм; это обусловлено требованиями энергопотребления, но в свою очередь накладывает ограничения на дальность считывания отображаемой информации, 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 отобра>кения информации и миниатюризацию

;онструкций индикатора в целом.

Известен макет конструкции накального íäèêàòîðà,,выбранного в качестве прототипа, содержащий вакуумированную оболочку с внешними выводами, внутри которой расположена сапфировая подложка, ; а которой нанесены пленочные элементы накаливания из вольфрама с монокристаллической структурой и схема токовой разводки, под элементами накаливания в сапфировой подло>кке имеют место углублечия (4).

Недостатком макета индикатора на пленках вольфрама является то, что схема токовой разведки, выполненная на плоскости сапфировой 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 информации, 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 токопроводящим материалом, и углубления, количества

Nнакальных элементов,,длина! и ширина Н накального элемента и площадь S пластины выбраны в соотношении

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 соответствует критерию существенные отличия.

На фиг, 1 приведен накальный вакуум; ный экран, поперечный разрез; на фиг. 2— показан вид экрана сверху, где 1 — пластина из монокристаллического 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; 6 — 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 накальные элементы 4, 1791872 являющиеся растровыми точками экрана. В пластине 1 под каждым накальным элементом 4 расположено изолирующее углубление 5, таким образом обеспечивается минимальная площадь контакта накального 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 накальных элементов 4 и заполненные токопроводящим материалом, таким образом формируются штыри 6 для подвода электроэнергии к накальным элементам 4. Каждый штырь 6 контактируют с соответствующей контактной площадкой

7 накального 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 питающе о напряжения накальные элементы 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 эпитаксии нанесен слой вольфрама со структурой монокристалла, Толщина пластины и диаметр отверстий выбраны с учетом того, чтобы отверстия в пластине получались металлизированными. Иэ 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 накальных элементов, и по периметру между пластинами сформирован вакуумноплотный шов с помощью ситаллоцемента. В этом случае использован другой способ формирования токопроводящих штырей экрана. Установлены штенгель и геттер, На лицевую поверхность сарфировой пластины наложен стеклянный плоский баллон и по периметру между ними сформирован вакуумноплотный шов с помощью ситаллоцемента. Из объема между плоским стеклянным баллоном и лицевой поверхностью сарфировой пластины откачен воздух до 10 мм рт.ст., отпаян штенгель и прове-5 дено 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

10 целью формирования металлических проводников заданной высоты.

В результате проведения экспериментальных работ выполнен накальный экран на основе пленок вольфрама, В сапфировой пластине размером 24х35х0.3 мм с помощью светолучевого станка 4Р222Ф2 была сформирована система отверстий диаметром 50 мкм с расстоянием между отверстиями 1,1 мм, (Набег между центрами

15 занного 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 помешенной в них проволокой соединены в пучки требуемой конфигурации в виде гексагональной укладки и протя25

30 гивались многократно да нужного размера с заданным диаметром канала. Затем пучки, полученные с заданной конфигурацией и диаметром каналов, спекались между собой. Полученный блок разрезали на пласти35 ны, 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

45 то, что их количество может достигать нескольких тысяч, Отверстия, изготовленные с помощью лазера, имеют конусообразную форму, что облегчает условия сопряжения с металличе50 скими проводниками стеклянной пластины, Стеклянная пластина со сквозными металлическими проводниками перед сборкой подвергались избирательному химическому травлению с целью обнажения металличе55 ских проводников. При этом концы металлических проводников заострены, что также способствует лучшему сопряжению их с металлизирован н ыми конусообразными отверстиями в сапфировой пластине.

20 отверстий, изготовленных с помощью ука1791872

10

20

45

Газофазной эпитаксией из гексафторида вольфрама (WF6) на установке УНЕС2ПКА на сапфировую пластину наносили монокристаллический слой вольфрама толщиной 1 мкм, В качестве газоносителя использовался очищенный водород. Нагрев пирамиды с сапфировыми пластинами размером 24х35хО;3 мм осуществлялся токами высокой частоты до Т = 700-800 С. Скорость роста вольфрама варьировалась дозированием с помощью вентиля давления паров

WF6 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

100х100 мкм, занимающие площадку информационного поля экрана размером

1,7х1,7 мм . В сапфировой пластине под накальными элементами были изготовлены изолирующие углубления, Сапфировая пластина совмещалась со стеклянной пластиной размером 24х335х3 мм со сквозными металлическими проводниками из платинита диаметром 0,37 мм и расстоянием между проводниками 1,7 мм. Следует заметить, что точность изготовления системы отверстий в сапфировой пластине и точность размещения сквозных проводников стеклянной пластины обеспечивает их сборку, Формирование по периметру между ними вакуумноплотного шва проводилось с помощью ситаллоцемента СЦН 84 — 2, На лицевую поверхность сапфировой пластины накладывался плоский стеклянный баллон размером 24х35х1,2 мм, и с помощью ситаллоцемента СЦН 84 — 2 формировался вакуумноплотный 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 B. Количество растровых точек в данном макета экрана составляло 56 штук.

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

NIH 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.

NIH

0,05 — 0,06.

Величина 0,14 является максима lbHo 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 накальными 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 50+60 при Н = 20 — 60 мкм при

Н толщине накального элемента 1мкм. Такая толщина пленки накального элемента использована и в 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 l/H

= 50 — 60 при Н = 20+60 мкм нижние границы значений ширины Н при соответствующих значениях длины 1.определяются пределом прочности накальных элементов. Кроме того, нижний предел значений K выбран нами равным 20 мкм, и, следовательно, (= 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 иэображения можно получить, используя на один знак не 5х7 элементов, а, например, 7х9, 9х12 и т.д. и получить изображение знака любого размера.

Покажем, к чему приводит несоблюдение указанных соотношений.

Пример 1. При значении длины накального элемента, выходящем за пределы соотношения I/Н = 50-60 при H = 20-60 мкм, например, 1 = 5 мм, подсчитаем. сколько знаков размещается на 100 см подложки. Поскольку один знак занимает площадь (I/3), получим 3600 знаков. На той же пло2

1791872

10 щади при значении длины, удовлетворяющем предлагаемому соотношению, например, 1 = 3,6 мм. размещается"; 6600 знаков.

Как видно, в случае удовлетворения предлагаемым соотношениям на той же площади размещается почти в 2 раза больше знаков.

Пример 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

NIH см2 подложки размещается 2800 знаков, т.е. также значительно меньше, чем в случае, когда i и Н удовлетворяют предлагаемым соотношениям.

Пример 3, Пусть Н удовлетворяет условию Н = 20+60 мкм, например, Н = 20 мкм, но! выбрано не из соотношения 1/Н =

50+60, а, например,1- 4 мм, В этом случае у накального элемента будет превышен предел прочности в несколько раз, и он будет неработоспособным.

Используя предлагаемое соотношение для I/Н, реализуется точка размером от

0,35х0,35 мм (длина накального элемента I

-1 мм, ширина Н =20 мкм)до Ix1 мм (1 =3

2 мм, Н =- 60 мкм) и потребляемой мощностью от 20 до 75 мВт. При отображении буквенно-цифровой информации это обеспечивает высоту знака, состоящего из 5х7 растровых точек, от 2,5 до 7 мм и потребляемую мощность от 0,5 до 1,5 Вт. При отображении графической информации наименьшая толщина линий определяется масштабом растровой точки. Время включения растровой точки составляет от десятков до единиц миллисекунд в зависимости от режима источника пйтания, Равномерное и плотное расположение накальных элементов на поверхности подложки делает предлагаемый накальный экран универсальным, т,е. с его помощью возможно отображение не только буквенноцифровой, но и мнемонической, и графической информации. Предлагаемый экран на основе пленочных накальных элементов яв5 ляется конструкцией, не имеющей зарубежныхх аналогов. Впервые предлагается реализовать конструкцию экрана, в котором без дополнительного охлаждения на площади 100 см размещается до 3000 знаков, что

10 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

15 накального экрана повышена не менее, чем в 6 раз.

Таким образом, по сравнению с существующим накальным индикатором предлагаемый экран обладает существенным

20 преимуществом по объемно-весовым показателям, по долговечности работы и качеству отображаемой информации.

Формула изобретения

Накальный вакуумный экран, содержа25 щий оболочку, состоящую из герметично соединенных баллона, выполненного из прозрачного материала, и пластины, выполненной из высокотемпературного окисла, на которой расположены пленочные накаль30 ные элементы из тугоплавкого материала, под которыми в укаэанной пластине выполнены отверстия, заполненные токопроводящим материалом, и углубления, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью маниатюризации

35 и увеличения долговечности экрана при универсальном характере отображения информации, количество N накальных элементов, длина I и ширина Н, накального элемента и площадь S пластины выбраны в соотноше40 нии

NIH а 0 14

1791872

Составитель M. Григорьева

Техред M. ÌoðãåHòàë Корректор С, Юско

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 155 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР t13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5